Điểm nổi bật của Hội nghị chuyên đề Công nghệ TSMC 2021 - Công nghệ Silicon

Gần đây, TSMC đã tổ chức Hội nghị chuyên đề công nghệ hàng năm, cung cấp thông tin cập nhật về lộ trình đóng gói và công nghệ xử lý silicon. Bài viết này sẽ xem xét những điểm nổi bật trong quá trình phát triển quy trình silicon và kế hoạch phát hành trong tương lai.

Các bài viết tiếp theo sẽ mô tả các dịch vụ đóng gói và đi sâu vào phát triển công nghệ cũng như trình độ chuyên môn dành riêng cho lĩnh vực ô tô. Vài năm trước, TSMC đã xác định bốn “nền tảng” sẽ nhận được khoản đầu tư R&D riêng để tối ưu hóa các dịch vụ kỹ thuật cụ thể: điện toán hiệu năng cao (HPC); di động; điện toán biên/IoT (điện năng cực thấp/rò rỉ); và ô tô. Việc tập trung vào phát triển quy trình cho thị trường ô tô là chủ đề phổ biến tại Hội nghị chuyên đề và sẽ được đề cập trong một bài viết riêng.

Nói một cách đơn giản, những nền tảng này vẫn là nền tảng trong lộ trình của TSMC. Tuy nhiên, phân khúc di động đã phát triển vượt ra ngoài điện thoại thông minh (4G) để bao gồm nhiều ứng dụng hơn. Sự xuất hiện của “chuyển đổi dữ liệu kỹ thuật số” đã dẫn đến nhu cầu ngày càng tăng về các tùy chọn liên lạc không dây giữa các thiết bị biên và tài nguyên đám mây/trung tâm dữ liệu – ví dụ: mạng WiFi6/6E, 5G/6G (công nghiệp và đô thị). Do đó, TSMC đang nhấn mạnh đầu tư vào phát triển công nghệ xử lý RF để giải quyết phân khúc đang mở rộng này.

Tổng Quát

Dưới đây là một số điểm nổi bật chung từ Hội nghị chuyên đề, sau đó là các thông báo về công nghệ xử lý cụ thể.

• độ rộng của dịch vụ

Vào năm 2020, TSMC đã mở rộng hỗ trợ của họ sang 281 công nghệ xử lý riêng biệt, vận chuyển 11,617 sản phẩm cho 510 khách hàng. Như những năm trước, TSMC tự hào tuyên bố “chúng tôi chưa bao giờ đóng cửa một nhà máy nào”.

Công suất hiện tại vào năm 2020 sẽ vượt quá 12 triệu tấm bán dẫn (tương đương 12”), với các khoản đầu tư mở rộng cho cả nút quy trình nâng cao (kỹ thuật số) và quy trình đặc biệt.

• vốn đầu tư thiết bị

TSMC có kế hoạch đầu tư tổng cộng 100 tỷ USD trong ba năm tới, bao gồm chi tiêu vốn 30 tỷ USD trong năm nay, để hỗ trợ nhu cầu của khách hàng toàn cầu.

Doanh thu toàn cầu năm 2020 của TSMC là 47.78 tỷ USD - cam kết hàng năm trị giá 30 tỷ USD cho việc mở rộng nhà máy chắc chắn sẽ gợi ý kỳ vọng về sự tăng trưởng đáng kể và mở rộng của thị trường bán dẫn, đặc biệt là đối với các dòng quy trình 7nm và 5nm. Ví dụ: băng thông mới (NTO) cho dòng 7nm sẽ tăng 60% vào năm 2021.

TSMC đã bắt đầu xây dựng một nhà máy của Hoa Kỳ tại Phoenix, AZ – việc sản xuất số lượng lớn quy trình N5 sẽ bắt đầu vào năm 2024 (~20 nghìn tấm bán dẫn mỗi tháng).

• sáng kiến ​​môi trường

Fabs đang đòi hỏi người tiêu dùng điện, nước và hóa chất (phản ứng). TSMC tập trung chuyển sang sử dụng 100% nguồn năng lượng tái tạo vào năm 2050 (25% vào năm 2030). Ngoài ra, TSMC đang đầu tư vào hệ thống tái chế và lọc “không chất thải”, trả lại chất lượng “cấp điện tử” cho các hóa chất đã qua sử dụng.

Một lưu ý cảnh báo… Ngành của chúng ta nổi tiếng là có tính chu kỳ, với những thăng trầm và suy thoái kinh tế ngày càng lớn. Thông điệp rõ ràng từ TSMC tại Hội nghị chuyên đề là việc tăng tốc áp dụng chất bán dẫn trên tất cả các nền tảng - từ trung tâm tính toán sử dụng nhiều dữ liệu đến truyền thông không dây/di động đến hệ thống ô tô đến các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp - sẽ tiếp tục trong tương lai gần.

Lộ trình công nghệ xử lý

• N7/N7+/N6/N5/N4/N3

Hình dưới đây tóm tắt lộ trình công nghệ tiên tiến.

N7+ đại diện cho việc đưa kỹ thuật in thạch bản EUV vào quy trình N7 cơ bản. N5 đã được sản xuất số lượng lớn từ năm 2020.

N3 sẽ vẫn là sản phẩm cung cấp công nghệ dựa trên FinFET, với việc sản xuất số lượng lớn bắt đầu từ nửa cuối năm 2. So với N2022 thì N5 sẽ cung cấp:

• Hiệu suất +10-15% (iso power)
• -25-30% năng lượng (hiệu suất iso)
• +70% mật độ logic
• +Mật độ SRAM 20%
• +10% mật độ tương tự

IP nền tảng TSMC thường cung cấp hai thư viện ô tiêu chuẩn (có chiều cao rãnh khác nhau) để giải quyết hiệu suất và mật độ logic duy nhất của phân khúc HPC và di động. Đối với N3, nhu cầu “phủ sóng toàn bộ” phạm vi hiệu suất/công suất (và miền điện áp cung cấp) đã dẫn đến việc ra đời thư viện ô tiêu chuẩn thứ ba, như được mô tả bên dưới.

Hỗ trợ thiết kế cho N3 đang tiến tới trạng thái PDK v1.0 vào quý tới, với một loạt IP đủ điều kiện vào quý 2/3 năm 2022.

N4 là “cú hích” độc đáo cho quy trình sản xuất N5 hiện có. Co quang học có sẵn trực tiếp, tương thích với các thiết kế N5 hiện có. Ngoài ra, đối với các thiết kế mới (hoặc các thiết kế hiện có muốn theo đuổi việc triển khai lại về mặt vật lý), có một số cải tiến sẵn có đối với các quy tắc thiết kế N5 hiện tại và bản cập nhật cho các thư viện ô tiêu chuẩn.

Tương tự, N6 là bản cập nhật cho dòng 7nm, với việc ngày càng áp dụng kỹ thuật in thạch bản EUV (trên N7+). TSMC chỉ ra rằng, “N7 vẫn là sản phẩm quan trọng cho số lượng thiết kế máy gia tốc AI và thiết bị di động 5G ngày càng tăng vào năm 2021”.

• N7HPC và N5HPC

Dấu hiệu cho thấy các yêu cầu khắt khe về hiệu suất của nền tảng HPC là sự quan tâm của khách hàng trong việc áp dụng điện áp cung cấp “tăng tốc”, vượt quá giới hạn VDD quy trình danh nghĩa. TSMC sẽ cung cấp các biến thể quy trình “N7HPC” (4Q21) và “N5HPC” (2Q22) duy nhất hỗ trợ tăng tốc, như minh họa bên dưới.

Sẽ có bản phát hành thiết kế SRAM IP tương ứng cho các công nghệ HPC này. Đúng như dự đoán, các nhà thiết kế quan tâm đến tùy chọn hiệu suất (cải thiện phần trăm một chữ số) này sẽ cần giải quyết vấn đề rò rỉ tĩnh điện gia tăng, các hệ số tăng tốc độ tin cậy BEOL và cơ chế lỗi lão hóa của thiết bị. Sự đầu tư của TSMC vào việc phát triển và nâng cao chất lượng các quy trình được tối ưu hóa đặc biệt cho các nền tảng riêng lẻ là rất đáng chú ý. (Biến thể quy trình dành riêng cho HPC cuối cùng là ở nút 28nm.)

• Công nghệ RF

Nhu cầu thị trường về truyền thông không dây WiFi6/6E và 5G (sub-6GHz và mmWave) đã khiến TSMC tăng cường tập trung vào tối ưu hóa quy trình cho các thiết bị RF. Bộ chuyển mạch RF cũng là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng. Các giao thức truyền thông không dây công suất thấp, chẳng hạn như Bluetooth (với chức năng tích hợp kỹ thuật số quan trọng) cũng là một trọng tâm. Hệ thống hình ảnh radar ô tô chắc chắn sẽ có nhu cầu ngày càng tăng. Các ứng dụng mmWave được tóm tắt trong hình bên dưới.

Hai thông số chính thường được sử dụng để mô tả hiệu suất công nghệ RF là:

• thiết bị Ft (“tần số cắt”), trong đó mức tăng hiện tại = 1, tỷ lệ nghịch với độ dài kênh của thiết bị, L
• thiết bị Fmax (“tần số dao động cực đại”), trong đó hệ số khuếch đại công suất = 1, tỷ lệ với căn bậc hai của Ft, tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của Cgd và Rg

Lộ trình công nghệ TSMC RF được trình bày bên dưới, được chia thành các phân khúc ứng dụng khác nhau.

Quy trình N6RF đã được nêu bật tại Hội nghị chuyên đề – bản so sánh hiệu suất thiết bị với N16FFC-RF được trình bày bên dưới.

Các quy trình N28HPC+RF và N16FFC-RC gần đây cũng đã nhận được những cải tiến – ví dụ: những cải tiến về điện trở cổng ký sinh, Rg, đã được nêu bật. Đối với các ứng dụng khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA), TSMC đang phát triển các sản phẩm SOI của họ ở 130nm và 40nm.

• Công nghệ ULP/ULL

Các ứng dụng IoT và thiết bị biên được dự báo sẽ trở nên phổ biến hơn, đòi hỏi tăng thông lượng tính toán ở mức tiêu thụ điện năng rất thấp (ULP) kết hợp với tiêu tán năng lượng tĩnh điện rò rỉ cực thấp (ULL) để cải thiện tuổi thọ pin.

TSMC đã cung cấp các biến thể quy trình ULP – tức là chức năng vận hành cho IP ở điện áp nguồn VDD rất thấp. TSMC cũng đã kích hoạt các giải pháp ULL, với các thiết bị/IP sử dụng điện áp ngưỡng được tối ưu hóa.

Dưới đây là tổng quan về nền tảng IoT (ULP/ULL) và lộ trình quy trình.

Nút quy trình N12e được TSMC nhấn mạnh, tích hợp công nghệ bộ nhớ không bay hơi (MRAM hoặc RRAM) nhúng, với chức năng tế bào tiêu chuẩn xuống 0.55V (sử dụng thiết bị SVT; tế bào Vt thấp sẽ cho phép VDD thấp hơn và công suất hoạt động ở mức rò rỉ cao hơn) . Trọng tâm tương đương cũng đã được thực hiện để giảm dòng rò Vmin và chế độ chờ của IP N12e SRAM.

Tổng kết

Tại Hội nghị chuyên đề, TSMC đã giới thiệu một số phát triển quy trình mới, với các tối ưu hóa cụ thể cho các nền tảng HPC, IoT và ô tô. Cải tiến công nghệ RF cũng là trọng tâm, nhằm hỗ trợ việc áp dụng nhanh chóng các tiêu chuẩn truyền thông không dây mới. Và chắc chắn rằng, mặc dù nó không được nhấn mạnh nhiều tại Hội nghị chuyên đề, nhưng vẫn có lộ trình thực hiện rõ ràng cho các nút quy trình chính thống nâng cao – N7+, N5 và N3 – với các cải tiến quy trình liên tục bổ sung như được phản ánh trong việc phát hành phiên bản trung gian. nút N6 và N4.

Để biết thêm thông tin về lộ trình công nghệ số của TSMC, vui lòng theo dõi phần này Link.

-chipguy

Chia sẻ bài đăng này qua: Nguồn: https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/tsmc/299944-highlights-of-the-tsmc-technology-symposium-2021-silicon-technology/