5-нм на подходе — когда ждать новый техпроцесс

    В начале октября тайваньский производитель чипов TSMC, который работает с такими компаниями, как AMD и Apple, сделал два заявления. Первое — компании удалось улучшить свой 7-нм техпроцесс и изготовить чип по новой технологии. Второе — 5-нанометровый чип выйдет в 2019 году. О перспективах этих разработок — рассказываем далее.


    / фото UCL CC

    7-нм техпроцесс TSMC


    Чип, напечатанный TSMC в начале месяца, выполнен по 7-нм техпроцессу второго поколения, который претерпел ряд изменений, по сравнению со своим предшественником.

    В основе 7-нм техпроцесса первого поколения TSMC лежит DUV-литография с «глубоким» ультрафиолетовым излучением. При этом используется иммерсионная литография и сканеры с длиной волны 193 нм. Первый чип по этой технологии в компании напечатали еще в апреле этого года. А в мае TSMC начали производить 7-нм чипы для Apple. Новыми микросхемами снабдили систему на кристалле A12 Bionic. Она уже отвечает за работу последних смартфонов ИТ-гиганта: iPhone XR, XS и XS Max.

    Всего же заказы поступают от двух десятков компаний, включая Bitmain, NVIDIA и Qualcomm. Крупным клиентом TSMC также является AMD — на основе 7-нм техпроцесса построены процессоры Vega 20 и серверный ЦП Epyc.

    В начале этого месяца TSMC сообщили, что им удалось усовершенствовать свой 7-нм техпроцесс. Инженеры использовали для разработки чипов фотолитографию в «жестком» ультрафиолете (EUV). В этом случае длина волны оказывается в двадцать раз меньше и составляет 13,5 нм. Переход на EUV (совместно с развитием методов моделирования и обнаружения дефектов и других процессов) снизил энергопотребление производимых микросхем на 8% и увеличил плотность транзисторов на 20%, по сравнению с технологией первого поколения.

    Пока с помощью EUV реализовывают только четыре некритичных слоя чипа. Сперва компания хочет освоить технологию, а потом уже использовать ее для изготовления больших объемов продукции (пока выход годных устройств довольно низок).

    Кто стал первым клиентом, получившим новые чипы, компания-производитель не раскрывает, однако есть предположение, что им стала все та же Apple. Также компания разрабатывает специализированную версию обновленного техпроцесса для автоиндустрии.

    Когда ждать 5-нм чип


    В TSMC планируют начать рисковое производство 5-нм чипов уже в 2019 году. Для создания 5-нанометровых микросхем компания задействует EUV, но с помощью этого метода фотолитографии будут производиться четырнадцать слоев чипа, вместо четырех.

    К тому времени тайваньская компания планирует обкатать технологию EUV и увеличить производственные мощности. Компания уже объявила о начале строительства новой фабрики, на которой будут создаваться чипы. Его возведут в Южном научном парке Тайваня.

    У 5-нм чипов есть ряд преимуществ, по сравнению с 7-нм. При одинаковой сложности, плотность транзисторов в обновленных микросхемах будет в 1,8 раз выше, а тактовая частота увеличится на 15%. При этом 5-нм процессор будет потреблять на 20% меньше энергии, чем 7-нм. Однако перед запуском производства, компании нужно решить ряд трудностей.

    Первая из них — нехватка инструментов для разработки. Необходимый пакет проектирования EDA для 5-нм техпроцесса подготовят в ноябре этого года. Однако библиотеки для блоков PCIe 4.0 и USB 3.1 окажутся готовы только летом будущего года.

    Еще одна проблема — высокая стоимость разработки. По оценкам экспертов, разработка системы на кристалле по 7-нм технологии обходится где-то в 150 млн долларов. В случае с 5-нм техпроцессом стоимость увеличивается до 250 млн долларов. Это значит, что цена готовой продукции в итоге вырастет, и в использовании этих чипов будут заинтересовано меньше компаний-клиентов. Потому нет гарантий, что производство микросхем по 5-нм техпроцессу окупится.

    Как дела у других компаний


    В одном из прошлых постов мы говорили, что производитель интегральных микросхем GlobalFoundries остановил разработку своих 7-, 5- и 3-нм техпроцессов из-за финансовых трудностей. Вместо этого, организация переключилась на совершенствование 14-нм и создание встроенных запоминающих устройств.


    / фото Mr Seb CC / 22-нм кремниевая пластина Intel

    Intel тоже проигрывают TSMC в скорости разработки новых техпроцессов. Компания опять перенесла релиз 10-нм микросхемы, а в сентябре и вовсе заявила, что возвращается к 22-нм (хотя и для реализации чипсетов), чтобы «разгрузить» производственные мощности. Однако здесь справедливо будет отметить, что 7-нм у TSMC и 10-нм у Intel считаются одинаковыми проектными нормами в контексте плотности и размеров транзисторов.

    Единственным конкурентом TSMC на 7- и 5-нанометровом «поприще» пока видится Samsung. Запуск 7-нм чипов южнокорейский гигант запланировал на первую половину следующего года. Микросхемы по проектным нормам 5-нм Samsung начнут производить тоже в 2019, но когда стартуют их продажи, пока неизвестно.



    P.S. О виртуальной инфраструктуре и работе с ПД — в нашем Telegram-канале:

    ИТ-ГРАД

    302,00

    vmware iaas provider

    Поделиться публикацией
    Комментарии 45
      +6
      Уже 5нм на подходе… Предел скоро наступит. Очень интересно, как дальше будут развиваться события.
        –3

        Скоро не наступит
        Закон Мура из линейного превратится в асимптотический, каждое дальнейшее продвижение будет требовать бОльших вложений средств и времени. Со стремлением к пределу в бесконечности.
        Будут поиски диэлектриков с меньшим размером кристаллической решетки, есть технологии изменения размера и вида кристаллической решетки под давлением, не обратимые. По принципу получения алмазов и металлического водорода. И даже изменения размера атома — переход валентных электронов на другую орбиту.

          +7
          Изменение размера атома? Ссылочку не дадите?
            0
            впринципе уже порядка нескольких ангстремов — невозможно.
              0
                +1
                Спасибо за ссылку, статья интересная. Но речь тут не о изменении размера атома, а о смене координации атомов, кристаллической решетки.
                  +1
                  При давлении
                  4 ГПа у цезия происходят еще два перехода.
                  После первого перехода, как показал РСА, возникает
                  также ГЦК-структура, но с периодом решетки на
                  ∼3% меньше. Структура второго перехода еще не
                  расшифрована. Изоморфный переход с уменьшением
                  объема может происходить, если уменьшается
                  “радиус” атома. Это и наблюдается на опыте.
                  Размер атома, обусловленный его валентными
                  электронами, уменьшается за счет перехода электрона
                  в состояние с меньшим радиусом электронной
                  оболочки.
                +1
                Это к создателю)))
                0

                И в итоге приведет к удорожанию конечной продукции, но бесконечно нельзя цены поднимать.

                  –1
                  Ну это в Западном «рыночном» обществе как правило приводит к удорожанию цены. Китай несколько другая экономика. Он может субсидировать это производство различными путями, от прямых разовых «чеков» на закупку оборудования, до снижения пошлин на сырье для этой отрасли, а также налогов и даже ставку кредита, и при этом они продолжают резво занижать юань, так что цена в будущем может даже не измениться. И если запад делает подобное эпизодически, то Китай это делает постоянно и систематически обеспечивая конкурентное преимущество своим отраслям при первой же возможности ни с чем не считаясь.
                    –1
                    Как говорил старик Эйнштейн, все в мире относительно.
                    www.xe.com/currencycharts/?from=USD&to=CNY&view=10Y
                    За десятилетний отрезок времени я вижу максимальные колебания аж в целых 15%. Такая «резкость» даже не снилась крупнейшему государству в мире) Можно только мечтать.
                      –1
                      Я сказал «резво», а не «резко» :). Китайцы молодцы снижают когда надо для экономики (например сейчас), а не просто когда вздумается. :)

                      p.s. Минус не я вам поставил. :)
                        +1
                        Эйнштейн никогда не говорил, что все в мире относительно
                +2
                А ведь размеры кристаллической решётки кремния 0.54307 нм. В школе, когда изучал физику, считал маленькие размеры атомов большой проблемой, из-за которой нам сложно понять всю эту физику. А теперь при производстве транзисторов мы почти подошли к минимальному пределу размеров и теперь атомы кажутся не такими и маленькими.
                  +8
                  Проектные нормы опосредованно связаны с линейными размерами, скорее с площадью ячейки статической памяти. habr.com/post/423575
                    0

                    Я понимаю, в свое время читал эту статью.
                    Но все равно, некоторые расстояние в транзисторах из-за квантовых эффектов уже особо не уменьшишь. Понятно, что мы ещё какими-то хаками будем уменьшать техпроцесс, но предел уже близко.

                      +2
                      Это понятно. Я еще в 1989г читал прогноз, что к ~2012-2014г будет достигнут предел по длине канала в 20нм, меньше туннелирование не дает.
                        0
                        Квантовые эффекты это одна сторона, но как дела с радиационной стойкостью? Ведь «капля никотина» меньше не становится, а лошадь до размеров хомячка почти уже уменьшили. :)
                          +1
                          Там где нужна радиационная стойкость никто не будет вешать мессенджер на электроне.
                            0
                            Это к тому что радиация на Земле есть везде. Любой державший в руках счетчик радиации неплохо представляет, что заряженные частицы не редкость. А так как речь идет о вполне себе «бытовых» чипах, то и стойкость какая-то должа обеспечиваться.
                              0

                              Как-то на IBM мероприятии они хвастались, что на одном из марсоходов их Power толи 3 толи 4. А это уже были времена Power 7. Типа только они смогли предложить относительно мощный процессор общего назначачения на большом техпроссе и хорошо защищенный от космической радиации, как физически, так и схемотехнически. Говорят, что их системы отслеживания ошибок позволяют процессору повторить инструкцию прерваную из попадания высокоенергитической частицы извне (в разумных приделах, разумеется). Они даже статистику приводили по этому поводу, но я уже подзабыл цифры.

                                +1
                                толи 3 толи 4. А это уже были времена Power 7
                                Это не проблема меньшей стойкости новых техпроцессов, это проблема сроков сертификации микросхем для ответственных применений. Сделать радстойкий (для космоса) процессор можно на вообще любой технологии 350 нм и ниже от любой фабрики.
                                Прямо сейчас уровень проектных норм космических процессоров — 65-45 нм, первые изделия по 28-20 нм появятся через пару лет.

                                Говорят, что их системы отслеживания ошибок позволяют процессору повторить инструкцию прерваную из попадания высокоенергитической частицы извне
                                Такое и на коммерческом процессоре можно сделать (и активно делается). Специально спроектированные процессоры могут не повторить инструкцию, а просто работать дальше, скорректировав ошибку за счет встроенного резервирования.
                                +1
                                Для «земных» уровней радиации там все хорошо с радиационной стойкостью, можете не переживать.
                                  0
                                  Тут не столько переживание, сколько общий интерес. Все же статьи про ускорители и детекторы попадаются порой, вот и возникают мысли на подобную тему.
                                    0
                                    На ускорители и детекторы cutting edge технологии не попадают, потому что во-первых, слишком дорого делать по ним мелкосерийные схемы, во-вторых, сроки разработки и эксплуатации чипов очень большие, и пересаживаться с однажды выобранной технологии никто не будет, а в-третьих, там, где действительно нужна высокая радстойкость — это аналоговые схемы, а не цифра, и там передовые проектные нормы натурально ни для чего не нужны.
                                    А цифровая обработка данных идет на серийных серверах в безопасном месте.
                                      0
                                      Как-то разошлись мы во мыслях, каждый о своём. ;)
                                      Я вовсе не электронику сенсоров имел в виду, она может быть хоть ламповой, если в конкретном месте это наилучший вариант окажется.
                                      Статьи же упомянул лишь к тому, что они наводят на мысли о частицах летающих как и когда им вздумается.
                                        0
                                        А, если так, то есть довольно хорошая статистика по сбоям в суперкомпьютерах, как правило построенных на самых современных процессорах (спойлер: сбои есть, и с ними борются, но в пересчете на персоналку там вероятность один сбой во много лет), и неплохая статистика по трансатлантическим авиаперелетам (несколько сбоев на самолет за рейс, там с ними тоже борются).
                                        Главное — не ставить суперкомпьютер в метро и помнить о том, чтобы в материале корпуса микросхемы не было источников альфа-частиц.
                                          0
                                          А почему собственно метро плохое место для потенциального размещения суперкомпьютера?

                                          По крайней мере от космического компонента радиации слой земли сверху должен давать какую-то доп. защиту, хотя и далеко не полную. А в плане того что просачивается из земли в виде разных газов (радона в первую очередь и последующих продуктов его распада) должна удалять вентиляция. Что еще есть из неблагоприятных факторов?
                                            0
                                            Гранит, которым облицованы все центральные станции московского метро — природный источник радона. Для человека нормально (хотя японцы, по слухам, пугаются), а вот сбоев в супере будет чувствительно больше, чем в негранитном помещении.
                                              0
                                              А, это локальная особенность значит. В Питерском метро к пример тогда ставить можно — у нас в метро гранит почти не используется, в основном другие материалы (и все разные) — мрамор, песчанник, стекло, металлы, керамика и т.д.

                                              Хотя в этом плане есть и собственные «аномалии»: гранитные набережные рек, где гранит не просто для облицовки, а сплошные толстые несущие плиты из гранита. На таких гамма фон вполне в 3-5 раз выше среднего по городу может быть. Сколько там еще альфы и беты дополнительно даже не знаю.
                              +1
                              Как там дела с радиационной стойкостью, мы вряд ли узнаем в обозримом будущем, потому что тратить 250 миллионов долларов на разработку чипа, которого потом будет нужна одна-две пластины, никто не станет, это неоправданно дорого.

                              Нынешние и переспективные разработки радстойких микропроцессоров — это уровень 28-20 нм, и там все с радиационной стойкостью довольно неплохо. Особенно если учесть, что в FDSOI технологии (на которой делается перспективный европейский процессор DAHLIA) нет тиристорного эффекта.

                              Ну и в целом, с радиационной стойкостью у маленьких проектных норм все обычно хорошо, хуже как раз со старыми нормами и с теми новыми процессами, где используются большие размеры (например, в высоковольных схемах).
                          –1
                          Ну все-таки у кремния не простая кубическая решетка, а межатомное расстояние вдвое меньше, чем 0.543 нм.
                          Так что, скажем, 5 нм в затворе транзистора — это не 9-10 атомов, а 18-19. Еще есть куда двигаться!
                            +2
                            Вы не учитываете, что вероятность дефекта очень сильно вырастает.
                              0
                              Наверное поэтому теперь появились i9, из неудавшихся которых выйдут i7, i5, i3.
                              +3

                              ИБМ ещё с алмазными полупроводниками экспериментирует, вроде бы. Там размер атомов ещё меньше.
                              Блин, ум за разум заходит, как представляю транзистор, размером в десяток атомов. Там же ещё легирующие элементы, их вообще считанные атомы получаются на элемент. Колдунство какое то.

                                +2
                                Туннельный эффект говорит, что двигаться особенно некуда. Из-за него уже довольно давно пришлось заменить технологически удобный SiO2 в подзатворном диэлектрике на технологически неудобный, но более толстый оксид гафния.
                                Про фокусы с долегированием германием и прочими растянутые решетки для преодоления падения подвижности я даже начинать не хочу.
                              +2

                              Про литографию, немного странно: 193 нм используют уже много лет, скорее бы стоило написать, что она иммерсионная и с четырехкратным экспонированием.


                              И, конечно, не переход к EUV позволил улучшить характеристики транзисторов, а просто набор performance knobs: различных приемов оптимизации структур, распределений стресса и примесей и тп.
                              EUV дает чисто финансовый плюс: можно вместо сложной многократной экспозиции сделать все за один раз. Но процесс крайне медленный и дорогой, так что пока не ясно, войдет ли он в технологию действительно, хотя и тайваньцы и корейцы и американцы делают на него ставку.

                                0
                                А как решили поглощение столь жесткого УФ в материале?
                                Что там с «оптикой»? И наверное уже не в воздухе?
                                  +2

                                  Зеркала в вакууме.


                                  image
                                  Картинка: ASML

                                    0
                                    спасибо!
                                0
                                Тут уже писали что это размер «плавников» у транзисторов.
                                А сам транзистор далеко не 5нм и даже не 14…
                                Так что никакого прорыва нет.
                                  +2

                                  Ну в той статье, неплохой кстати, это место было вообще не в тему: ширина фина к нормам производства и плотности транзисторов не имеет отношения (вернее имеет, но очень сложное): она определяется ограничениями, связанными с квантовой физикой (которая определяет распределения плотоности тока в канале в таким маленьких системах) и механическими свойствами: фин надо делать повыше, но если он слишком тонок, он просто сломается.

                                  +4
                                  А где там 7 нм? Читаем википедию по ссылке из статьи:
                                  EUV-литография делает возможной печать линий шириной до 30 нм и формирование элементов структуры электронных микросхем размером менее 45 нм
                                  Т.е. 7 нм нет даже близко. Кроме того, было 7 нм, стало 7нм, но при этом "снизилось энергопотребление производимых микросхем на 8% и увеличилась плотность транзисторов на 20%". Как?
                                  Видимо нынешние нанометры какие-то неправильные, подпорченные маркетологами.
                                  –2
                                  Вот вырасту большой, изобрету 3D-принтер, который будет печатать объёмные микросхемы, а не эти плоские «блины».

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                  Самое читаемое