14 нм — очередная проверка закона Мура

Устройства, произведенные по технологическим нормам 14 нм, дают малый выигрыш в производительности — всего 15–20% против типичного для смены поколений техпроцессов приращения 30%.

На ежегодной международной конференции по электронным устройствам International Electron Devices Meeting (IEDM) большое внимание было уделено разработке нового метода литографии, позволяющего повысить эффективность производства электронных устройств по технологическим нормам 22 нм и меньше (14 нм и 10 нм).

Закон Мура перестает работать

С переходом на новые технологические нормы 14 нм темп увеличения производительности спадает вдвое – вместо 30% приращения будет обеспечено только 15–20%. Вместе с тем стоимость новой технологии ставит под вопрос ее целесообразность. Для снижения затрат необходимо увеличить эффективность оборудования. Работа в этом направлении ведется, однако вряд ли стоит ожидать результатов раньше 2014 года.

По мнению Люка ван ден Хова (Luc van den Hove), главы бельгийского исследовательского центра IMEC, ограниченное коммерческое использование глубокой ультрафиолетовой литографии (ГУЛ) станет возможно не раньше 2014 г., хотя разработка оборудования для ее проведения идет полным ходом. Данная технология поможет увеличить производительность оборудования, что в конечном счете приведет к снижению стоимости подложек с нормами 14 нм.

Исследователи из Imec протестировали уже сотни тысяч подложек, изготовленных методом ГУЛ

Стоимость 14-нм подложек, изготовленных применяемым в настоящее время методом иммерсионной литографии (с длиной волны облучния в 193 нм), на 90% больше, чем стоимость пластин с нормами 28 нм. По оценке Люка ван ден Хова, литография глубокого ультрафиолета (EUV) уменьшает разрыв до 60%.

Стоимость подложки для различных технологических уровней

Высокая стоимость производства с использованием существующих методов литографии обусловлена необходимостью проводить для каждого ключевого слоя три экспозиции с разными масками, тогда как метод литографии глубокого ультрафиолета (ЛГУ) позволяет выполнить те же операции за один проход. В итоге производительность 14-нм чипов увеличивается только на 15-20% по сравнению с предыдущим поколением, а не на 30%, как это было прежде.

«Вероятно, некоторые проектные нормы должны быть ослаблены для технологического уровня 14 нм, – отмечает Люк ван ден Хов в выступлении. – Я уверен, что сейчас самое время выбрать основные опции литографии для норм 14 нм. Очевидно, что ЛГУ пока еще слишком сыра. Прилагаются все усилия для решения проблем, связанных с ней. Наверняка, они носят не фундаментальный, а чисто инженерный характер, но на поиск решения все равно требуется время».

Производители ИС должны искать новые материалы или типы устройств, чтобы закон Мура не нарушался

Intel, Samsung и TSMC независимо друг от друга в текущем году инвестировали миллиарды долларов в ASML, которая занимается изготовлением оборудования для литографии глубокого ультрафиолета. Для ЛГУ требуются мощные источники УФ-света, которые в настоящее время разрабатываются компанией Cymer, недавно вошедшей в состав ASML.

При использовании существующих источников света литографическая установка может производить только 20 подложек в час, в то время как требуемая производительность лежит на уровне 100 подложек в час.

Мнение Intel
Ранее в этом году руководство Intel выразило уверенность в том, что компания может производить чипы экономически выгодно даже по нормам 10 нм без применения ЛГУ, используя 4-кратное нанесение рисунка. В то же время в отрасли сложилось представление, что Intel – дорогой производитель из-за сравнительно высокой стоимости процессоров.

Марк Бор (Mark Bohr), глава подразделения технологических разработок Intel, опроверг информацию о том, что технология Intel 22-нм FinFET на 30-40 % более дорогая, чем планарная технология TSMC 28 нм. По мнению Бора, FinFET эффективна с экономической точки зрения и добавляет только 3% к стоимости процессора.

Бор также не согласился с оценкой IMEC, что подложки на 14 нм на 90% более дорогие, чем на 28 нм, из-за неэффективности существующих методов литографии. Увеличение стоимости подложек Intel «даже близко не лежит».
«Стоимость на подложку незначительно увеличивается с каждым поколением, в последних поколениях немного больше, чем обычно. Но это больше, чем увеличение в плотности транзистора, поэтому стоимость в пересчете на транзистор уменьшается при переходе на 14 нм», – заключил Бор.
Отдельно Бор отметил, что Intel расширяет производственную деятельность, однако «мы не намерены работать на производство общего назначения. И я не думаю, что объемы производства будут значительными для Intel».

СнК-процессор Intel по 22 нм
В докладе Intel были раскрыты характеристики транзисторов Tri-gate для СнК 22 нм. По производительности они на 20-65% превосходят аналоги, изготовленные по технологии 32 нм, и покрывают 4 порядка тока утечки.

Структуры транзисторов Tri-gate для 22-нм СнК от Intel

Темп увеличения производительности аналоговых узлов увеличился в 3 раза после спада, который наблюдался на последних трех технологических уровнях. Intel предоставляет небольшую библиотеку аналоговых схем, созданную для Tri-gate, в т.ч. прецизионные резисторы, металл-металл конденсаторы и дроссели с высокой добротностью.

Расширенная библиотека устрйоств Tri-gate 22 нм

Технология Tri-gate обеспечивает 51–56%-ное улучшение производительности при высоком напряжении (используется быстрыми интерфейсами, такими как Ethernet, HDMI and PCI Express). Это больее чем вдвое превышает типичное увеличение в 20%.

Характеристики транзисторов Tri—gate22 нм

Технология Tri-gate поддерживает стандартное и повышенное напряжение, а также режим ультранизкого потребления. В процесс также включены SRAM, оптимизированные по плотности, потреблению и быстродействию. Некоторые показывают характеристики 2,6 ГГц на 1 В, тогда как на 32 нм было 1,8 ГГц.

Производительность транзисторных СнК Intel 22нм

«Технология СнК неоднозначна, – отметил Бор. – Мы предлагаем выбор параметров транзисторов и межсоединений». Технология Tri-gate 22 нм будет применяться в транзисторах для всей продуктовой линии от высокопроизводительных серверов до смартфонов. СнК будет готова к массовому выпуску в 2013 г.

График уменьшения тока утечки и увеличения производительности транзисторов Intel на различных технологических уровнях

По словам Бора, в транзисторах Tri-gate есть возможность управлять каналом и подбирать оптимальный подпороговый наклон и величину стокового барьера. Это позволяет минимизировать ток утечки и напряжение. В Tri-gate стоковый барьер равен 30-35 мВ, в то время как у аналогичных продуктов он приближается к 100 мВ.

Электрические характеристики транзисторных СнК Intel 22 нм

Вопреки мнению некоторых специалистов, Бор уверен, что транзисторы FinFET будут с успехом применяться и в аналоговых схемах. Как известно, одной из наиболее важных характеристик транзистора является произведение крутизны на выходную мощность. По сравнению с тремя предыдущими технологическими уровнями оно увеличено.

Аналоговые характеристикиTri-gate 22 нм

Что касается взгляда на будущее развитие технологий, Бор отметил, что разница между процессорами и СнК неизбежно стирается, однако это не помешает данным классам устройств сосуществовать и развиваться параллельно. Поворотная точка на этом пути была достигнута с появлением СнК Medfield 32 нм, однако не менее впечатляющие модели выйдут и в поколении 22-нм продуктов.

Все продукты Intel выходят в двух вариациях: процессор и система на кристалле

Примечательно, что технология 22 нм применима и на уровне 14 нм, поэтому все достижения Tri-gate будут использованы и в будущих маломощных СнК.

IBM не отстает

На прошедшей конференции IBM заявила, что также занимается созданием прототипа серверного процессора по новой объемной технологии 22 нм и надеется, что достигнет 25-35%-ного увеличения производительности по сравнению с уровнем 32 нм.

IBM представила 22-нм процесс с использованием частично обедненной структуры кремний на изоляторе (FD SOI). Представитель IBM г-н Нарасимха (Narasimha) отметил, что в компании созданы «прототипы нескольких серверных процессоров» по технологии 22 нм с задержкой менее 1,5 нс и частотой 750 МГц.

Он не дал точных характеристик, но сказал, что стояла цель увеличить производительность относительно предыдущего уровня на 25-35%. Предыдущий уровень был 5,5 ГГц, использовалось до 80 Мбайт встроенной памяти DRAM.

IBM изготовила ячейку SRAM площадью 0,026 мкм² используя представленную технологию. Источник питания 1,2 В занимает 550 мкм². Процесс предполагает нанесение 15 слоев металлизации. Нижние 5 – для формирования элементов 80 нм, как и в технологии Intel, два верхних – для сквозных отверстий в объемных стеках.

IBM продемонстрировала стек из 45-нм серверных процессоров Big Blue с модулями памяти и приемопередатчиками. По мнению технолога IBM, когда потенциал масштабирования исчерпан, сохранить справедливость закона Мура поможет модернизация процесса литографии.

В планах IBM – реализовать не только стек DRAM, но и других устройств. Один из примеров – процессор на 45 нм, изготовленный с применением структуры кремний-на-изоляторе. Процессор содержит два приемопередатчика SiGe БиКМОП. Скорость передачи достигает 2 Тбайт/с. В докладе отмечается, что такие уровни недостижимы в керамических или органических устройствах.

Прогноз увеличения производительности систем

Представитель IBM отметил, что «объемная интеграция кристаллов – очень трудоемкий процесс, который не позволяет создавать плотные сети соединений внутри кристалла. В то же время он позволяет создавать стеки памяти емкостью несколько Гбайт в кеше процессора».

Объемная структура серверного процессора IBM

IBM использует толстые медные провода в логических схемах с тремя состояниями. Хотя их температурный коэффициент расширения в 4 раза больше, чем у кремния, эту разницу удается нивелировать. Ключевой проблемой, которую осталось решить, является контроль искривления кристалла.

Источники:
[1] eetimes.com/electronics-news/4403054/Moore-s-Law-predicted-to-hit-big-bump-at-14-nm
[2] eetimes.com/electronics-news/4403075/IBM—Intel-face-off-in-22-nm-process-at-IEDM?pageNumber=0
[3] eetimes.com/electronics-news/4403167/IBM-details-3-D-server-chip-stacks-at-IEDM
[4] eetimes.com/electronics-news/4403044/Intel-s-22-nm-trigate-SoC—how-low-can-you-leak—

Оставьте отзывОтмена