Image
29.9.2014 0 Comments

Kam kráča výroba procesorov?

Titulka.jpg Procesory sú bezpochyby ten najikonickejší hardvér počítačov a hon za výkonom, nižšou spotrebou a čoraz menším výrobným procesom s obľubou sleduje zrejme každý nadšenec informačných technológií. Ide však o mimoriadne zložité stroje, stojace na hrane aktuálneho technologického pokroku. Aké sú momentálne najväčšie výzvy pri ich výrobe a akým ďalším budú výrobcovia čeliť v blízkej budúcnosti?

Výroba pokročilých polovodičových súčiastok, respektíve integrovaných obvodov je náročný proces skladajúci sa z mnohých krokov. So stúpajúcou zložitosťou obvodov, ako je to pri moderných procesoroch, je ich už niekoľko stoviek. Pochopiť základné princípy však nie je príliš zložité, pretože sa úkony dajú rozdeliť na niekoľko základných kategórií. Základom výroby je kremíkový wafer, čo je tenký plát vysoko čistého kremíka (až 99,9999999 %) s kruhovým tvarom.

V súčasnosti sa vo väčšine prípadov používajú wafery s priemerom 300 mm, ktoré majú hrúbku 0,775 mm. Na tento wafer sa pomocou rôznych metód nanášajú vrstvy ďalšieho materiálu, z ktorého sa pomocou litografie, orezávania, leptania a iných techník vytvárajú jednotlivé prvky obvodu. Výrobný proces prebieha v špecializovaných fabrikách na výrobu polovodičov, v odbore označovaných ako Fab, pričom od počiatku celého procesu až po zabalenie výsledného produktu ubehne 6 až 8 týždňov.

Esenciálnou časťou fabrík je tzv. clean room, teda miestnosť s vysokými nárokmi na čistotu prostredia. Kým bežné prostredie obsahuje okolo 35 miliónov nečistôt s veľkosťou 0,0005 mm na kubický meter vzduchu, prostredie vo fabrikách dosahuje čistotu len niekoľkých desiatok až stoviek nečistôt na rovnaký objem. Je to potrebné vzhľadom na vysoko presnú výrobu jednotlivých častí obvodov, ktorých rozmer je na úrovni niekoľkých nanometrov. Proces výroby, vývoj a nákup jednotlivých špecializovaných mechanizmov sú finančne veľmi náročné a vzhľadom na zložitosť a pokročilosť výroby stojí vybudovanie jednej fabriky od 1 do 10 miliárd dolárov.

V základe existujú dva druhy spoločností, ktoré vlastnia, respektíve prevádzkujú takéto pokročilé fabriky. Do prvej kategórie patria tie, ktoré procesory alebo iné pokročilé integrované obvody vyvíjajú a zároveň aj vyrábajú. Svetovým lídrom je americká spoločnosť Intel s trhovým podielom 15 %, nasledovaná juhokórejským Samsungom s podielom 10,5 %. Ide o spoločnosti, ktoré si navrhujú mikroarchitektúry svojich procesorov a iných mikročipov a následne ich vyrobia vo vlastných továrňach (Fab).

K ďalším významným spoločnostiam patria americký Micron (4,5 %), juhokórejský SK Hynix (4,2 %), japonská Toshiba (3,9 %), americký Texas Instruments (3,6 %), francúzsko-taliansky STMicroelectronics (2,5 %) a japonský Renesas (2,5 %). Táto osmička výrobcov sa podieľa bezmála na 50 % svetovej produkcie polovodičov (z toho polovicu tvorí Intel a Samsung). Na zostávajúcej produkcii sa podieľa množstvo menších spoločností, ktoré vo väčšine prípadov fabriky nevlastnia. Odpadajú im teda obrovské náklady na stavbu, údržbu, prevádzku a následne modernizáciu takýchto kolosov a vlastné čipy si len navrhujú.

Medzi takéto spoločnosti patrí napríklad svetová polovodičová trojka Qualcomm (podiel na trhu 5,5 %), americký Broadcom, ktorému patrí deviata priečka s podielom 2,6 %, a zároveň aj AMD (dvanásta priečka s podielom 1,6 %) či NVIDIA (sedemnásta priečka s 1,1 %). Nevýhodou takéhoto riešenia je to, že musia za výrobu svojich čipov platiť a sú odkázaní na výrobcov. Pre menšie spoločnosti je však takéto riešenie nevyhnutné, pretože by si enormne nákladnú prevádzku fabrík nemohli dovoliť.

Oveľa väčšia nevýhoda je tá, že takéto spoločnosti musia vyrábať čipy vo fabrikách a na technológiách, ktoré sú dostupné. Môžu tak doplatiť na to, že zle odhadli záujem o čipy a dohodli si menší alebo, naopak, väčší objem výroby v továrni tretej strany. Ešte horšie je, že môžu doplatiť na to, že výrobcovia nevyvinuli včas nový a pokročilejší výrobný proces. Firma AMD by napríklad už veľmi rada vyrábala procesory na 22 nm výrobnom procese tak ako Intel, problém je v tom, že okrem Intelu nikto iný na svete nemá tento výrobný proces vyvinutý tak, aby v dostatočnej kvalite zvládol výrobu takýchto komplexných procesorov.

Do druhej kategórie patria tí výrobcovia, ktorí vlastné čipy vôbec nenavrhujú a kapacitu svojej továrne poskytujú tretím stranám. Vyvíjajú teda vlastný výrobný proces, ktorý následne s úpravami používajú najednotlivé produkty svojich zákazníkov. Takéto spoločnosti sa nazývajú Dedicated Foundries. Prvým výrobcom tohto typu sa v roku 1987 stal taiwanský TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, teda doslova Taiwanská spoločnosť na výrobu polovodičov), ktorý má v tomto odvetví dodnes dominantné postavenie (minuloročný obrat 20 miliárd dolárov).

Vo fabrikách TSMC napríklad vyrába svoje grafické čipy NVIDIA aj AMD. Ďalší výrobcovia tohto typu sú GlobalFoundries (bývalé vlastné fabriky AMD) a UMC. Obaja majú ročný obrat okolo 4 miliárd dolárov. Okrem takýchto čisto výrobných spoločností sa môžeme stretnúť aj s tým, že klasickí návrhári a zároveň výrobcovia polovodičov z prvej skupiny poskytujú svoje nevyužité výrobné kapacity iným firmám. Samsung si takto „privyrobí" 4 miliardy dolárov ročne, pričom jeho fabriky a 28 nm výrobný proces využíva napríklad Apple pre svoje SoC A6 a A7 v iPhonoch a iPadoch.

Tranzistory.png

Schematický nákres klasického planárneho tranzistora a FinFET. V dolnej časti obrázka sú prierezy reálnych konštrukcii. Naľavo klasický tranzistor s kovových hradlom (HKMG), napravo FinFET, pri ktorom si treba uvedomiť, že pre odlišný koncept je source „pred" a drain „za" touto snímkou

Zmenšovanie výrobného procesu

Zmenšovanie výrobného procesu je jeden z najdôležitejších hnacích motorov zvyšovania výkonu CPU. Vtesnať na jeden čip čoraz viac tranzistorov, ktoré majú stále väčší výkon a čoraz menšiu spotrebu, je sen každého výrobcu. Ak wafery s čipmi vyrábate za rovnakú cenu ako váš konkurent, ale ten na nich dokáže vďaka lepšej miniaturizácii vytvoriť dvojnásobok tranzistorov, dostávate sa do obrovských problémov. Vaše výrobky totiž budú mať nižší výkon, ale rovnaké náklady na výrobu, takže ich budete musieť predávať s nižším ziskom.

Ak výkon dorovnáte na úkor väčšieho rozmeru, vaše náklady na výrobu stúpnu a zisk takisto klesne. Vo výsledku je vaša výroba drahšia, zisk menší a predaje klesajú, pretože výrobky majú nižší výkon alebo väčšiu spotrebu ako produkty konkurencie. Pokračujúce zmenšovanie výrobného procesu na nanometrových úrovniach je veľká technologická výzva a k pokroku dochádza v priemere každé dva roky. V roku 2004 sme sa stretávali s procesormi na 90 nm výrobnom procese, v roku 2006 s výrobou na 65 nm, v roku 2008 na 45 nm, v roku 2010 na 32 nm a od roku 2012 na 22 nm. Koncom tohto roka sa v predaji objavia procesory Intelu vyrábané 14 nm výrobným procesom. Výrobný proces však nie je jediný faktor zvyšovania výkonu. Ďalším je mikroarchitektúra.

Tento fakt je dobre viditeľný na stratégii Intelu, ktorá je známa pod označením Tic-Tock (tik-tak). Ide o každoročné vydávanie novej verzie procesorov do virtuálneho zvuku hodín, pričom každé „tik" znamená zmenšenie výrobného procesu a každé „tak" reálnu zmenu mikroarchitektúry. Vyhýba sa tak skoku do tmy v podobe novej mikroarchitektúry postavenej na novom výrobnom procese a každý rok predstaví buď novú mikroarchitektúru na už zvládnutom výrobnom procese, alebo nový výrobný proces na už zvládnutej mikroarchitektúre. Po 32 nm mikroarchitektúre Sandy Bridge (2011) tak prišlo v roku 2012 jej zmenšenie na 22 nm Ivy Bridge, v roku 2013 prišla nová 22 nm mikroarchitektúra Haswell, ktorá bude zas koncom roka 2014 zmenšená na 14 nm Broadwell. Úplne nová 14 nm mikroarchitektúra Skylake sa objaví v roku 2015, ktorú v roku 2016 nahradí jej 10 nm zmenšenina Cannonlake.

Čo sa však myslí tým, že výrobný proces je napríklad 14-nanometrový? V článku Kam kráča vývoj SSD? (PC REVUE č. 5/2014) ste mohli naraziť na vysvetlenie, že ide o tzv. half-pitch (polovičný rozstup), čo je polovica vzdialenosti medzi dvoma identickými prvkami obvodu. V prípade čipov NAND flash osadených v SSD je celkový pitch vzdialenosť od začiatku jedného tranzistora po začiatok ďalšieho. Ide teda o rozmer jedného tranzistora sčítaný s medzerou k ďalšiemu. Ak je tento rozmer 32 nm, ide o 16 nm výrobný proces (16 nm half-pitch).

Tranzistory procesora a tranzistory pamäťových buniek SSD sú však konštrukčne odlišné (k detailom sa ešte dostaneme) a uvedené odvodenie rozmeru pri výrobe CPU neplatí. V prípade procesorov sú 32, 22 či 14 nm výrobné procesy len imaginárne označenia s historickou väzbou. Napríklad pri chystanom 14 nm procese Intelu sú mnohé časti konštrukcie väčšie (half-pitch hradiel je 35 nm), zatiaľ čo iné menšie (kremíkový kanál pod hradlom je široký menej ako 8 nm). Dôvod, prečo sa výrobný proces takto nazýva, je ten, že v konečnom dôsledku sú súčasti obvodov v priemere o tretinu (konkrétne 0,65×) menšie ako pri 22 nm procese.

Keďže 22 × 0,65 = 14,3, nový proces dostal označenie 14 nm. Názvy vývojových skokov majú teda opodstatnenie, ale už sa nedá ukázať na nejaký konkrétny prvok obvodu a povedať, že má 14 nm, a preto je výrobný proces 14 nm. Konkrétna časť obvodu môže zostať rovnako veľká alebo sa dokonca zväčšiť, ale o zmenšenie sa postarajú ostatné prvky, vďaka čomu sa zmenšia rozstupy a zvýši hustota. Rovnako to bolo aj pri 32, 45 či 90 nm výrobnom procese. Napríklad proces používaný v roku 2001 využíval hradlá len so šírkou 70 nm, ale bol označovaný ako 130 nm, pretože šlo o ďalší vývojový skok v poradí a v priemere sa celý systém zmenšil o 30 % oproti 180 nm procesu. Keby ste sa chceli vrátiť do čias, keď označenie procesu skutočne vyjadrovalo nejaký rozmer obvodu, museli by ste sa vrátiť až do roku 1995, keď 350 nm proces používal hradlá tranzistorov široké 350 nm.

Pravidelné zmenšovanie procesu o 30 % má dobre známy dôsledok v podobe Moorovho zákona, ktorý hovorí, že počet tranzistorov sa každé dva roky zdvojnásobí. Keďže zmenšenie plochy o 30 % sa dosiahne na osi X aj Y, znamená to 50-percentné zredukovanie objemu. Mnoho ľudí má problém uvedomiť si, prečo je to tak. Stačí si však predstaviť šachovnicu, ktorá má 10 riadkov a 10 stĺpcov, teda 100 polí. Ak ukrojíte z oboch strán šachovnice 30 %, teda 3 polia, zostane vám 7 riadkov a 7 stĺpcov, čo je vo výsledku 49 polí. Zmenšením ste teda 51 polí vymazali.

Zhora.jpg

Porovnanie planárneho 32 nm procesu a 22 nm procesu s FinFET: Pri tomto pohľade zhora dobre vidieť, ako vystúpené kanály a elektródy tvoria rebrá

Prechod na FinFET

Pokiaľ vezmeme do úvahy súčasné procesory x86 (Intel, AMD), pokročilé grafické procesory (NVIDIA, AMD) a procesory ARM v systémových čipoch tabletov a smartfónov, drvivá väčšina z nich používa nejaký druh planárneho výrobného procesu bulk MOSFET-ov. MOSFET je skratka pre poľom riadený tranzistor s kovovou a oxidovou vrstvou a v základe ide o veľmi jednoduchý koncept, ktorého schematický nákres si môžete pozrieť na obrázku. V spodnom kremíkovom substráte sú umiestnené dve elektródy, označované ako source a drain. Nad nimi sa nachádza hradlo odizolované vrstvou oxidu, ktoré kontroluje elektrický potenciál medzi elektródou source a kremíkovým kanálom.

Stav hradla teda určuje to, či sa elektrický prúd dostane kremíkovou vrstvou (kanálom) zo source do drain elektródy, alebo nie (1, 0). Kanál sa „otvorí" vtedy, keď na hradlo privedieme napätie, a „zavrie" vtedy, keď napätie z hradla odoberieme. Tento postup funguje mimoriadne dobre, pokiaľ je šírka kremíkového kanála čiže vzdialenosť medzi source a drain dostatočne veľká. Ak začnú byť elektródy blízko pri sebe, ich vplyv je dostatočne veľký na to, aby si kanál otvorili, respektíve aby prerazili potenciálovú bariéru. Keďže pri zmenšovaní tranzistorov sa zmenšuje aj tento kanál, tranzistor od určitých rozmerov sa už nedá plnohodnotne vypnúť. Aj keď hradlo nie je pod napätím, elektróda drain je dostatočne blízko source a dokáže kanál otvoriť samovoľne bez asistencie. Prúd tak obvodom stále čiastočne tečie aj vtedy, keď by nemal, čo prináša neželané zvyšovanie spotreby.

Možno si spomínate na prelom storočí, keď ľudia snívali o tom, že v priebehu pár rokov budú mať bežné počítače procesory s frekvenciou 10 a viac GHz. Tento optimizmus vychádzal z faktu, že v tom čase každé zmenšenie výrobného procesu znamenalo prakticky automatické zvýšenie výkonu a zníženie spotreby. Podobné vyhlásenia mal aj Intel pri svojom Pentiu 4, ktoré uviedol na 180 nm výrobnom procese v roku 2000, pričom predpokladal masívny nárast frekvencií s ďalším zmenšovaním. Enormné problémy nastali pri 90 nm procese, pri ktorom už úniky prúdu boli z dôvodu malého kremíkového kanála také veľké, že spotreba sa nezačala znižovať, naopak, rapídne sa zvyšovala.

Ešte na prelome 20. a 21. storočia mnoho vývojárov zastávalo názor, že s týmto nepriaznivým javom bude možné bojovať tak, že sa začne obmedzovať hrúbka izolačného oxidu pod hradlom. Prominentní akademici a vývojári však už vtedy začali poukazovať na to, že ani pri vynáleze dokonalého a nekonečne tenkého dielektrika tento problém nezmizne a na výrobnom procese menšom ako 25 nm už zrejme nebude únosné s týmto javom bojovať. Pri 65 nm výrobnom procese už Intel používal pod hradlom len 1,2 nm hrubé dielektrikum z oxidu kremičitého (päť atómov), a aby úniky stále nenarastali, ďalšie zmenšenie si vyžiadalo významnú zmenu.

Na 45 nm procese Intel zaviedol použitie kovových materiálov pre hradlo a jeho izolačnú vrstvu, čo si vyžiadalo významný pokrok vo výrobe a výskume materiálov. Izolačnú vrstvu oxidu kremičitého nahradil kovový materiál s vysokou dielektrickou konštantou (permitivitou). Najvhodnejším sa ukázal kov hafnium, respektíve oxid hafničitý s dielektrickou konštantou 24 ε. Testované materiály s väčšou konštantou, ako napríklad oxid titaničitý (80 ε), sa ukázali ako nevhodné z dôvodu vyvolávania parazitického elektrónového tunelovania. Pri použití kovového dielektrika bolo treba kov použiť aj na hradlách, ktoré sa predtým niekoľko desaťročí vyrábali z kremíka. Intel na tento účel použil zlúčeniny z titánu. Vďaka kovovým hradlám a High-k dielektrikám dosiahol úspešný prechod na 45 nm a následne na 32 nm, vďaka čomu sa významne odtrhol od konkurencie, ktorá jeho „kovový vzor" nasledovala s oneskorením.



To, že pod touto hranicou bude potrebný úplne iný prístup, Intel včas rozpoznal. High-k dielektriká a kovové brány pri únikoch prúdu výrazne pomôžu, ale okolo hranice 25 nm už začínajú byť samy osebe slabým liekom. Ak sa teda Intel nechcel dostať do problémov, bolo treba do boja vytiahnuť novú zbraň. Vývojári už dlhšie vedeli, že množstvu neželaných javov by sa mohli vyhnúť vytvorením čo najtenšieho kremíkového kanála (ideálne len pár nanometrov), ktorý by bolo možné kontrolovať hradlami z oboch strán. Problémom bolo, že efektívna technológia na stavbu takýchto spodných hradiel, tenkých filmov z kremíkového kanála a elektród source a drain neexistovala.

V roku 1999 však tím vývojárov z univerzity v Kalifornii (Chenming Hu, Tsu-Jae King-Liu a Jeffrey Bokor) navrhol radikálny postup, pri ktorom kremíkový kanál stojí otočený o 90° na tenkom konci a hradlo ho obopína, čím vlastné vzniká riešenie totožné s použitím viacerých hradiel súčasne. Konštrukciu označili ako fin, čo sa dá voľne preložiť ako rebro, pretože sústava niekoľkých finov pripomína rebrovanie chladiča alebo radiátora. Z tohto dôvodu sú tieto tranzistory označované ako FinFET. Pozornosť a granty sa nahrnuli o rok neskôr, keď sa im takúto

konštrukciu tranzistora podarilo reálne vyrobiť a otestovať jej funkčnosť a klady. Konceptu sa následne začalo venovať množstvo vývojových tímov, pričom v roku 2002 sa AMD podarili experimenty s 10 nm hrubým rebrom kremíkového kanála, v roku 2004 spoločnosti TSMC s 5 nm a v roku 2006 kórejskej univerzite KAIST s 3 nm. To zrejme definitívne ukázalo, že táto cesta zmenšovania bude priechodná. Keď však v roku 2011 Intel oznámil, že FinFET použije pri svojom nadchádzajúcom 22 nm výrobnom procese, mnohých expertov v odbore to zaskočilo. Nečakali totiž, že sa niekomu podarí dotiahnuť ho do sériovej výroby tak skoro. Žiaľ, pri prvej verejnej prezentácii v roku 2011 marketingové oddelene Intelu nepoužilo skutočné označenie FinFET a v rámci prebiehajúcej „3D mánie" ich nazvalo ako 3D tranzistory alebo tri-gate tranzistory.

Fins22-14.jpg

Porovnanie 22 nm a nového 14 nm výrobného procesu FinFET od Intelu: Všimnite si zväčšenie a zarovnanie rebier vstupujúcich do hradla

Prvé procesory s tranzistormi FinFET sa dostali na trh v roku 2012 (Ivy Bridge) a Intel je dodnes jediný, kto túto technológiu dotiahol do sériovej výroby (v roku 2013 na nej predstavil aj mikroarchitektúru Haswell). Na schematickom obrázku si môžete všimnúť, že hradlo FinFET a jeho dielektrická vrstva obopína kremíkové rebro s kanálom prepájajúcim elektródy source a drain. Kanál pri tomto postavení na hranu jednak zaberá oveľa menej miesta horizontálne (len 8 nm) a navyše môže byť dobre ovládaný hradlom, ktoré ho ovplyvňuje z dvoch, respektíve troch strán (vrátane hornej časti).

Na fotografii z elektrónového mikroskopu si môžete všimnúť, že rebro (fin) v skutočnosti nemá tvar kvádra s ostrými hranami, ale oblej špičky. Intel tak potlačil problém s ostrými rohmi, na ktorých sa elektrické pole samovoľne zosilňuje. Na druhej strane rozdielna šírka kremíka v dolnej a hornej časti negatívne ovplyvňuje výkon. Za zvolením tohto tvaru však nemusia stáť len technologické príčiny, ale aj limity výrobných mechanizmov. To, o koľko sú tranzistory menšie z celkového hľadiska, si môžete pozrieť na fotografii „z výšky", kde do brán pripomínajúcich červíky pri 22 nm procese náhle vstupujú rebrá postaveného kremíkového kanála medzi source a drain. Aj v tomto prípade je použité high-k dielektrikum z oxidu hafničitého a kovové hradlo so zlúčeninami titánu.

Nový 14 nm výrobný proces Intelu je druhou generáciou FinFET-u. Prvé produkty v podobe procesorov Broadwell by sa mali dostať na trh koncom tohto roka. Oproti predchádzajúcej 22 nm generácii sa Intelu podarilo zmenšiť vzájomný odstup rebier z 54 na 42 nm (30 %), rozstup hradiel z 85 na 70 nm (22 %) a rozstup prepojení zo 70 na 52 nm (35 %). Plocha jednotlivých buniek SRAM, teda vnútornej vyrovnávacej pamäte, sa zmenšila o 46 % na 55 nmNa druhej strane výška rebier sa na zlepšenie vlastností zväčšila z 34 nm na 42 nm.

No keďže ide vďaka konceptu FinFET o vertikálny rozmer, nijako sa to neprejavilo na plošnej veľkosti. Intel zatiaľ nezverejnil informácie o tom, aké hrubé sú rebrá, ale na predvedených fotografiách vyzerajú užšie než predchádzajúca generácia. Badateľná je najmä menšia rozmerová variabilita v oblasti kontaktu s hradlom. Môžete si všimnúť, ako je rebro v oblasti zapichnutia v hradle nielen vyššie, ale aj viac kolmé. Prechod na 14 nm proces sa nezaobišiel bez veľkých komplikácií.

Intel dlho riešil problémy s malou vyťaženosťou (priveľa zlých čipov na hotovom waferi) a uvedenie nových procesorov sa omeškalo prakticky o celý rok. Pôvodne sa v priebehu tohto roku mal dostať na svet kompletný rad procesorov, ale napokon sa v závere roka objavia iba najmenšie čipy Broadwell-Y s TDP 3,5 a 4,5 W, určené pre ultrabooky a tablety. Tie by však mali z predpokladaného 1,6× násobného zlepšenia pomeru výkonu na watt ťažiť najviac. Notebookové a desktopové verzie prídu na rad až v priebehu budúceho roka (prvý, respektíve tretí štvrťrok).

Ako je na tom hlavná konkurencia v podobe TSMC, GlobalFoundries a Samsungu? Skorý príchod FinFET-u ju bezpochyby nachytal na hruškách. Zatiaľ čo Intel už prakticky dokončil jeho druhú generáciu, ostatní veľkí hráči sa na prvé zavedenie do výroby ešte len chystajú. Samostatné výrobné závody v podobe TSMC a GlobalFoundries totiž pokračovali vo vývoji planárneho procesu HKMG, teda klasických tranzistorov zlepšených o kovové dielektriká a hradlá. Kým ich 28 nm proces je už dlhý čas vo výrobe (posledné generácie procesorov AMD a dve posledné generácie GPU Radeon a GeForce), nástupnícky 20 nm planárny proces HKMG sa dostal do obrovských problémov.

Zatiaľ čo Intel svoj 22 nm proces FinFET zaviedol už v roku 2012, klasická 20 nm konkurencia od TSMC, od ktorej je závislé obrovské množstvo vývojárov čipov, sa rozbehla plnohodnotne až tento rok v lete. Zatiaľ obmedzené kapacity využíva v súčasnosti pravdepodobne Apple (SOC A8) a Qualcomm (SoC Snapdragon 808/810) a ich 20 nm produkty by sa mohli objaviť na trhu začiatkom budúceho roka. Stále však nie je isté, či je proces pripravený aj na veľké GPU od firiem AMD a NVIDIA, či sa teda tieto 20 nm produkty v prvom či druhom štvrťroku 2015 objavia. Spoločnosti vyvíjajúce CPU a GPU rozhodne z oneskorenia nadšené neboli, ale skrátka nemali na výber. Iniciatíva GlobalFoundries (bývalé fabriky AMD), ktorá mala v pláne TSMC prebrať zákazníkov, dopadla neslávne a spoločnosť na klasický 20 nm proces zrejme úplne zanevrie. Samsung, ktorý poskytuje kapacity svojich fabrík aj iným vývojárom čipov a je tak z hľadiska Dedicated Foundries tretím najväčším hráčom, napokon 20 nm výrobný proces (planárny HKMG) rozbehol horko-ťažko takisto až tento rok (SoC Exynos 5430).

O tom, že planárny 20 nm proces bol posledný, niet pochýb, pretože všetky tri spoločnosti sa plnou parou ženú za 16/14 nm výrobným procesom FinFET. Aj keď je všetko ešte v relatívne ranom štádiu, spoločnosti hýria optimizmom. Samsung a GlobalFoundries spojili sily pre 14 nm proces FinFET a poskytnú zákazníkom rovnakú technológiu. Obe spoločnosti totiž pracovali na variantoch pre rozličné typy čipov a spojenie síl im môže ušetriť dosť času. V súčasnosti beží testovacia výroba a prvé výrobky by sa mohli objaviť už v priebehu budúceho roka.

Nič však nie je isté a môžu sa vynoriť nečakané problémy. Koniec koncov aj Intelu sa 14 nm výroba zdržala prakticky o rok oproti pôvodným plánom. TSMC by mohlo spustiť 16 nm výrobu FinFET niekedy na začiatku budúceho roka. Tá je z hľadiska rozmeru prakticky identická so 14 nm procesom konkurencie (čo je možné vďaka súčasnej benevolentnosti v pomenovávaní), ale prvé produkty by sme nemali očakávať skôr než koncom roka 2015, prípadne na začiatku roka 2016. Toto oneskorenie môže spôsobiť, že napríklad Apple preskočí s výrobou svojich budúcich čipov A9 nazad k Samsungu, ktorý vďaka spolupráci s GlobalFoundries zrejme o 3 až 6 mesiacov predstihol TSMC.

UTB-FET.png

UTB-FET, označovaný aj ako UTBB FD-SOI, je potenciálny konkurent FinFET - na dolnej časti obrázka je prierez 20 nm prototypom od STMicroelectronics

UTB-FET ako druhá možnosť?

Keď v roku 1999 vývojový tím kalifornskej univerzity na čele s Chenmingom Huom predviedol svetu svoj výskum FinFET, nešlo o jedinú technológiu určenú na účinné prekonanie 25 nm hranice, na ktorej pracovali. O rok neskôr totiž predviedli aj druhý postup, nazvaný UTB-SOI (Ultra Thin Body SOI) alebo aj UTBBFD-SOI (Ultra thin body and buried oxide fully depleted SOI). Ide o výrobný proces typu SOI, teda kremík na izolátore (silicon on insulator), obohatený o špecifický postup na výrobu tranzistorov s ultratenkým telom (UTB-FET). Pri tomto výrobnom procese sa na kremíkovej vrstve vytvorí veľmi tenká vrstva oxidu kremičitého (8 až 4 nm), ktorá funguje ako izolátor.

Až na ňom sa vybuduje vrstva s elektródami source a drain a ultratenkým kremíkovým kanálom (niekoľko nanometrov) tesne pod odizolovaným hradlom. To zabráni únikom prúdu, pričom pomocou techniky Body biasing možno aplikovať do spodného substrátu elektrické napätie, čo funguje ako virtuálna spodná brána. V čase predstavenia bola výroba takýchto tranzistorov veľmi náročná a vývojový tím predpokladal, že FinFET bude možné zaviesť do výroby pravdepodobne skôr. Výskumu výroby FinFET sa tak v priebehu nasledujúcej dekády venovalo mnohonásobne viac univerzitných tímov a komerčných spoločností.

V roku 2009 sa však francúzskej spoločnosti Soitec podarilo niekoľko prielomov a predstavila prototypy 20 nm výroby UTB-FET používajúcej kremíkový kanál hrubý 5 nm. V nasledujúcich rokoch sa tomuto procesu dostalo väčšej pozornosti od ďalších spoločností, ktoré sú dlhodobo známe vývojom a výskumom SOI. Jedna z nich je aj GlobalFoundries, ktorá má ako odtrhnutá výrobná časť AMD so SOI veľké skúsenosti. AMD totiž SOI používalo ako alternatívu ku klasickému bulk procesu Intelu v čase od 180 až do 32 nm (na 28 nm čipoch používa AMD planárnu bulk výrobu HKGM od TSMC). Najďalej sa však dostal francúzsko-taliansky STMicroelectronics, ktorý vo svojej fabrike vo Francúzku rozbehol 28 nm výrobu.

Jeho malé výrobné kapacity však neboli v posledných rokoch dostatočné na to, aby SOI v novej podobe UTB-FET vytiahol na výslnie. Časy sa však menia a GlobalFoundries a Samsung podpísali licenčné dohody s STMicroelectronics na prevzatie jeho know-how. Masová 28 nm výroba by sa tak mohla začať v GlobalFoundries v tomto roku a v Samsungu začiatkom budúceho. Kapacity UTB-FET tak budú razom omnoho väčšie a môžu uspokojiť aj veľkých zákazníkov. STMicroelectronics pritom pokračuje vo vývoji 14 nm procesu, vychádzajúceho z 20 nm variantu, ktorý by mohol byť pripravený v relatívne dohľadnom čase (do úvahy zrejme prichádza prelom rokov 2015/2016). To, čím môže 14 nm UTB-FET podľa tohtoročnej analýzy od International Business Strategies zaujať, je fakt, že by mohol ponúknuť o 13 až 18 % lacnejšiu výrobu než 14 nm FinFET. To by mohlo byť pre mnohé spoločnosti bezpochyby veľmi zaujímavé.

GAA-FET.png

Výskumné vzorky vertikálnych GAA-FET z kremíkových nanotrubíc - táto technológia sa pravdepodobne dostane k slovu pri 7, 5 a 3 nm výrobnom procese

10 nm a nové prístupy na ďalšie dekády

Je nepochybné, že udržanie Moorovho zákona pri živote je čoraz zložitejšie a nákladnejšie. Veľké oneskorenia nasadenia výrobných procesov v posledných rokoch sú toho jasným dôkazom. Ak k žiadnemu nečakanému zdržaniu už nedôjde a Intel v roku 2015 predstaví novú mikroarchitektúru Skylake (na trhu tak bude mať spoločne s Broadwellom dve 14 nm mikroarchitektúry), 10 nm Cannonlake by sa mohol objaviť už v roku 2016. Stavili by sme však skôr na začiatok roka 2017. Výrobcovia zvažujú pri 10 nm procese niekoľko postupov a technológií.

Najpravdepodobnejšie sa zdá opätovné použitie FinFET, ale jeho kremíkový kanál by mohol byť nahradený germániovým. Pri 7 nm výrobnom postupe už bude FinFET zrejme nahradený novou konštrukciou, pričom potenciálny kandidát je GAAFET, kde skratka GAA znamená hradlo kompletne omotané okolo kanála v tvare nanotrubice (Gate-All-Around). Ako materiál trubice sa namiesto kremíka uvažuje najmä zlúčenina indium-gálium-arzenid, ktorá má extra vysokú elektrónovú mobilitu. Výskum polovodičových technológií pritom neprebieha len pre dohľadnú budúcnosť niekoľkých rokov (zlepšenia o desiatky percent), ale aj pre celkom neprebádané obdobie vzdialené niekoľko dekád (potenciálne zlepšenia o niekoľko rádov).

Takáto budúcnosť si už bezpochyby vyžaduje opustenie princípov MOSFET-u. Chenming Hu, jeden z hlavných návrhárov koncepcie FinFET (jej komerčné zrealizovanie trvalo 13 rokov), v súčasnosti pracuje na koncepte extrémne nízkonapäťového tunelového tranzistora. Ten na bráne používa napätie len v jednotkách milivoltu (0,01 V v porovnaní so súčasným 1 V), pomocou ktorého ovláda efekt kvantového tunelovania slúžiaceho na jeho vlastné spínanie.

S problematikou technológie a architektúry tranzistorov je tesne spätý fyzický postup ich výroby. Ak totiž svoje tranzistory nedokážete efektívne a v masovej miere vyrábať, len ťažko nimi môžete súperiť na trhu. V novembrovom vydaní PC REVUE sa budeme vo voľnom pokračovaní tohto článku venovať práve tejto problematike a pozrieme sa na súčasné technológie imerznej litografie, jej netrpezlivo očakávaného nástupcu v podobe extrémnej ultrafialovej litografie a ukážeme si, ako prebieha proces dvojitého šablónovania pri 14 nm procese a ako bude zrejme vyzerať štvorité šablónovanie pri tom 10-nanometrovom.


Nechajte si posielať prehľad najdôležitejších správ emailom

Žiadne komentáre

Vyhľadávanie

Kyocera - prve-zariadenia-formatu-a4-s-vykonom-a3

Najnovšie videá