Ведущая мировая полупроводниковая компания Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) недавно открыла свои планы захвата рынка «системных 3-D-суперчипов» в эксклюзивном интервью с Джеком Саном (Jack Sun), главным технологом и вице-президентом по исследованиям и разработке.
«Если кто-то будет подталкивать закон Мура к его пределу, TSMC тоже примет в этом участие, но это далеко не всё, чем мы заняты, – сказал Джек Сан. – У нас есть фирменные технологии, такие как встроенная флэш, высоковольтные силовые транзисторы, МЭМС и светочувствительные матрицы – целый спектр технологий. И если мы развиваем монолитную КМОП на новейших техпроцессах, то не все технологии могут быть продвинуты настолько же. Поэтому именно здесь наши промежуточные подложки и 3-D-технологии обеспечят системную интеграцию, позволяющую использовать все технологии вместе, в том, что мы называем системными суперчипами».
 |
Джек Сан как главный технолог (CTO) и вице-президент по исследованием и разработкам TSMC планирует будущее полупроводников. Фото: EE Times
Таким образом, методы корпусирования 3-D и отдельной подложки – это не просто способ достижения более высокой плотности, чем при обычном масштабировании, а средство создания суперсистем, которые превышают возможности систем-на-кристалле (СнК) и переходят к системам с интеграцией разных технологий, что делает TSMC уникальной фаундри-компанией.
«Мы поставили три основных задачи. Первая – продолжать развивать монолитную КМОП технологию для получения максимально энергоэффективных транзисторов – обеспечивая наибольшее количество транзисторов, работающих при наименьшей мощности. Мы рассматриваем КМОП как мозг системы. Во-вторых, мы развиваем фирменные технологии, которые подобно глазам и ушам, обрабатывают аналоговые и смешанные сигналы. В-третьих, мы развиваем 3-D-технологии с переходами через кремний (TSV), промежуточными подложками и другими корпусами на основе подложек, которые позволят нам объединить наиболее прогрессивные логические чипы с нашими фирменными технологиями. Конечно, некоторые заказчики желают просто СнК, и это хорошо, но другие захотят получить преимущества нашего метода 3-D-интеграции, чтобы сделать всю систему меньше, используя миниатюризацию и системную интеграцию – то, что мы называем системными суперчипами».
Сегодня только Xilinx является заказчиком первого поколения 3-D-технологии TSMC – так называемых 2,5D промежуточных кремниевых подложек, которые она использует для объединения нескольких FPGA с другими чипами, такими как высокоскоростные приемопередатчики, примененные в самом быстром в мире одночиповом сериалайзере/десериалайзере Virtex-H580T SerDes. Однако TSMC утверждает, что у нее будет много заказчиков – по мере внедрения кремниевых промежуточных подложек и других технологий подложек для создания системных суперчипов.
«Конечно, TSMC обслуживает широкий спектр заказчиков, но движущей силой будущего роста являются мобильные системы, которые люди хотят брать повсюду и быть подключенными в любое время, и которые могут быть созданы в однокорпусных кремниевых ИС, которые меньше, легче и экономичнее», – сказал Сан.
Проливая свет на перспективный план
В этом году TSMC обнародовала свой официальный перспективный план по монолитной КМОП-технологии, начиная с передовых планарных СнК по 20-нм техпроцессу в 2013 г., с использованием двухкратного экспонирования, без необходимости «прямого окрашивания» (direct coloring), благодаря новаторскому методу уклонения от нарушений G-правил дизайна. В 2014 г. план TSMC продолжится c FinFET-транзисторами и 16-нм техпроцессом, использующим низкие напряжения питания – от 0,8 до 0,6 В – что позволит создавать процессоры с малой потребляемой мощностью, такие как ARMv8, потребляющие не более 750 мВт. Далее TSMC планирует перевести свои FinFET на 10-нм техпроцесс в 2015-2016 гг., что принесет 35% увеличение быстродействия. Для этого будет применена литография с несколькими электронными лучами или, возможно, литография жесткого ультрафиолета (EUV), над которой она работает совместно с компанией ASML (Advanced Semiconductor Materials for Lithography).
«Мы уже продемонстрировали EUV на наших установках на этапе подготовки к производству. И наши первые производственные установки уже смонтированы. На этом этапе, наличие источника излучения является главным препятствием, вместе с некоторыми техническими вопросами, которые предстоит решить, – такими как правила цветов маски и работа в вакуумной системе, и конечно, как всегда, напряженный период обучения для любой новой литографии», – сказал Сан.
Более готова к производству электронно-лучевая литография, усовершенствованием которой TSMC занималась вместе с Mapper Lithography. Она использует многолучевую литографию прямой записи с шаблонами нового типа, что позволяет избежать появления горячих участков и в тоже время поддерживать высокую пропускную способность, необходимую для коммерческого использования.
«Мы лидируем в многолучевой электронной литографии прямой записи и демонстрируем с партнерами ее готовность к производству прямо сейчас; мы уже добились успехов, включая выпуск некоторых многообещающих прототипов, – сказал Сан. – Например, вместо использования одиночного растро-подобного луча можно использовать блочные шаблоны для каждого луча, которые очень похожи, что позволяет использовать для управления несколькими лучами одни и те же наборы данных».
Электронно-лучевая литография и литография жесткого ультрафиолета хотя и являются все еще экспериментальными для TSMC, но компания надеется усовершенствовать новые методы и материалы к появлению техпроцесса от 7 до 5 нм, и сделать их основными. В этих прогрессивных техпроцессах каналы транзисторов должны быть изготовлены либо из кремниевых нанопроводников, либо из материалов групп III-V, например, таких как арсенид индия (InAs), осажденный на кремниевую подложку. TSMC пока не раскрывает свои карты относительно новейших техпроцессов, но заявляет о том, что знает как создать 5-нм техпроцесс с рабочим напряжением не выше 0,5 В не позднее чем через 10 лет!
3-D суперчипы
Как утверждает Сан, не менее важным, чем передовой КМОП-техпроцесс, является использование 3-D-технологии для соединения передовых КМОП-чипов с другими функциональными блоками аналоговых и смешанных сигналов, необходимыми для мобильных систем. Однако первыми пользователями концепции 3-D-суперчипа будут высокопроизводительные системы. А накопленный опыт будет применен в массовых устройствах через несколько лет. В это же время для массовых изделий будут применяться другие, более дешевые технологии на основе подложек, такие как «чип-на-пластине-на-подлложке» (Chip on Wafer on Substrate, CoWoS), использующая переходы через кремний (TSV) для объединения нескольких чипов в единую суперкомпоновку, например DRAM сверху на СнК.
«Мы уже достаточно поработали над 3-D и показали определенные возможности, опубликовали работы о стеках кристаллов, таких как чип DRAM над чипами логики, и показали «кубы памяти». И поэтому с точки зрения технической возможности большая часть функциональности уже разработана, – сказал Сан. – Однако когда дело дойдет до производства, 3-D-компоновка сначала будет применяться в высокопроизводительных системах высшего уровня, таких как FPGA, сетевых и графических системах, которые станут точкой отсчета вместе с добавлением памяти и других блоков на промежуточных пластинах. Однако, в конце концов, 3-D-корпуса должны стать настолько рентабельными, чтобы их можно было применять в мобильных системах. 3-D-корпуса идеальны для смартфонов с точки зрения компоновки, и мы уже продемонстрировали некоторые конструктивные соображения, но с точки зрения производства это все будет позже. А пока у нас имеются другие решения типа корпус-на-корпусе, которые уже были модернизированы для массового производства. У TSMC уже все готово. Вопрос только в том, кто из заказчиков захочет платить за это. А в итоге, это будет правильная продукция, правильного качества, за правильную цену».
Долгосрочная цель TSMC – это применение 3-D-интеграции на основе суперчипа для эмуляции человеческого мозга, который, по словам Джека Сана, потребляет всего 20 Вт. Чтобы достичь такого уровня интеграции 3-D-суперчипа, потребуется 200-кратная миниатюризация сегодняшних технологий, которая, по его оценке, будет получена не ранее чем через семь поколений, примерно на 2-нм техпроцессе около 2028 года.
Читайте также:
TSMC в 2013 году запускает FinFET-технологию и испытывает EUV на 10 нм
TSMC внедрит в производство 16-нм FinFET уже к концу 2013 года
TSMC выпустили первые тестовые чипы по 16-нм технологии FinFET
Altera и Xilinx перейдут с CoWoS- на PoP-технологию при корпусировании своих чипов
Конференция ISSCC: литография жесткого ультрафиолета — лучший выбор для техпроцесса 10 нм и ниже
TSMC станет для Xilinx единственным поставщиком 20-нм кристаллов
Для 10-нм чипов может потребоваться четырехкратное экспонирование
TSMC примет участие в создании литографической системы для 10-нм проектов
ARM и TSMC «спелись» на почве FinFET-технологии
TSMC предложит сборку 3D-микросхем в начале 2013 г.
Источник: EE Times