Hvordan defineres procesnoder?

TSMC-Fab

Vi taler meget om procesknudepunkter hos importpartsspecialists.com, men vi henviser ikke ofte til, hvad en procesknude teknisk set er. Med Intels 10nm-knude nu i produktion og TSMC + Samsung taler om fremtidige 5nm-noder, er det et godt tidspunkt at tage emnet op igen, især spørgsmålet om, hvordan TSMC og Samsung sammenligner med Intel.



Processknudepunkter er typisk navngivet med et tal efterfulgt af forkortelsen for nanometer: 32nm, 22nm, 14nm osv. Der er ingen fast, objektiv sammenhæng mellem nogen af ​​funktionerne i CPU og navnet på noden. Dette var ikke altid tilfældet. Fra omtrent 1960'erne til slutningen af ​​1990'erne blev noder navngivet baseret på deres portlængder. Dette diagram fra IEEE viser forholdet:



lithot1



I lang tid matchede portlængden (længden af ​​transistorporten) og den halve tonehøjde (halv afstanden mellem to identiske træk på en chip) procesnodenavnet, men sidste gang var det sandt 1997. Halvtonen fortsatte med at matche nodenavnet i flere generationer, men er ikke længere relateret til det i nogen praktisk forstand. Faktisk har det været meget lang tid siden vores geometriske skalering af processornoder faktisk matchede, hvordan kurven ville se ud, hvis vi havde været i stand til at fortsætte rent faktisk krympende funktionsstørrelser.

2010-ITRS-resume

Godt under 1 nm før 2015? Behagelig fantasi.



Hvis vi ville have opfyldt de geometriske skaleringskrav for at holde nodenavne og faktiske funktionsstørrelser synkroniserede, ville vi være faldet til under 1 nm for seks år siden. De numre, som vi bruger til at betegne hver nye node, er bare tal, som virksomheder vælger. Tilbage i 2010 henviste ITRS (mere om dem på et øjeblik) til teknologikammerskovlen, der blev dumpet ind ved hver knude som muliggør 'ækvivalent skalering.' Når vi nærmer os slutningen af ​​nanometerskalaen, kan virksomheder begynde at henvise til angstrømmer i stedet for nanometer, eller vi kan simpelthen begynde at bruge decimaler. Da jeg begyndte at arbejde i denne branche, var det meget mere almindeligt at se journalister henvise til procesknudepunkter i mikroner i stedet for nanometer - 0,18 mikron eller 0,13 mikron for eksempel i stedet for 180 nm eller 130 nm.



Hvordan markedet blev fragmenteret

Produktion af halvledere involverer enorme kapitaludgifter og en lang række langsigtet forskning. Den gennemsnitlige tid, mellem når en ny teknologisk tilgang introduceres i et papir, og når den rammer bred kommerciel fremstilling, er i størrelsesordenen 10-15 år. For årtier siden erkendte halvlederindustrien, at det ville være til alles fordel, hvis der eksisterede en generel køreplan for introduktion af noder og de funktionsstørrelser, som disse noder ville målrette mod. Dette ville muliggøre en bred, samtidig udvikling af alle brikkerne i puslespillet, der kræves for at bringe en ny node på markedet. I mange år offentliggjorde ITRS - International Technology Roadmap for Semiconductors - en generel køreplan for branchen. Disse køreplaner strakte sig over 15 år og satte generelle mål for halvledermarkedet.

SemiconductorRoadmap

Billede af Wikipedia



ITRS blev offentliggjort fra 1998-2015. Fra 2013-2014 reorganiserede ITRS sig til ITRS 2.0, men anerkendte hurtigt, at rækkevidden af ​​dets mandat - nemlig at give “den vigtigste reference til fremtiden for forskere inden for universitet, konsortier og industrien til at stimulere innovation inden for forskellige teknologiområder. ”Krævede, at organisationen drastisk udvidede sin rækkevidde og dækning. ITRS blev pensioneret, og der blev dannet en ny organisation kaldet IRDS - International Roadmap for Devices and Systems - med et meget større mandat, der dækker et bredere sæt teknologier.

Dette skift i omfang og fokus afspejler det, der er sket i hele støberibranchen. Årsagen til, at vi stoppede med at binde portlængde eller halv tonehøjde til nodestørrelse, er at de enten stoppede skaleringen eller begyndte at skalere meget langsommere. Som et alternativ har virksomheder integreret forskellige nye teknologier og fremstillingsmetoder for at muliggøre fortsat nodeskalering. Ved 40/45 nm introducerede virksomheder som GF og TSMC nedsænkningslitografi. Dobbelt mønster blev introduceret ved 32 nm. Gate-sidste fremstilling var en funktion på 28 nm. FinFET'er blev introduceret af Intel ved 22 nm og resten af ​​branchen ved 14/16 nm node.



Virksomheder introducerer nogle gange funktioner og muligheder på forskellige tidspunkter. AMD og TSMC introducerede nedsænkningslitografi ved 40/45 nm, men Intel ventede indtil 32 nm for at bruge denne teknik og valgte først at udrulle dobbelt mønster. GlobalFoundries og TSMC begyndte at bruge dobbelt mønster mere på 32 / 28nm. TSMC brugte gate-last konstruktion ved 28 nm, mens Samsung og GF brugte gate-first teknologi. Men efterhånden som fremskridtene er blevet langsommere, har vi set virksomheder læne sig stærkere på markedsføring med et større udvalg af definerede 'noder'. I stedet for vandfald over et ret stort numerisk rum (90, 65, 45) lancerer virksomheder som Samsung noder, der er lige oven på hinanden, numerisk set:



Jeg tror, ​​du kan argumentere for, at denne produktstrategi ikke er særlig klar, fordi der ikke er nogen måde at fortælle, hvilke procesnoder der er udviklet, varianter af tidligere noder, medmindre du har diagrammet praktisk.

Mens knudepunktsnavne ikke er det bundet til en hvilken som helst specifik funktionsstørrelse, og nogle funktioner er stoppet med skalering, finder halvlederproducenter stadig måder til at forbedre nøglemålinger. Det er ægte teknisk forbedring. Men fordi fordele er sværere at nå, og det tager længere tid at udvikle, eksperimenterer virksomheder mere med, hvad de skal kalde disse forbedringer. Samsung implementerer for eksempel mange flere node-navne, end det plejede at gøre. Det er markedsføring.

Hvorfor hævder folk, at Intel 10nm og TSMC / Samsung 7nm er ækvivalente?

Fordi fremstillingsparametrene til Intels 10 nm-proces er meget tæt på de værdier, TSMC og Samsung bruger til det, de kalder en 7 nm-proces. Diagrammet nedenfor er trukket fra WikiChip, men det kombinerer de kendte funktionsstørrelser til Intels 10nm-node med de kendte funktionsstørrelser til TSMC'er og Samsungs 7nm-node. Som du kan se, er de meget ens:

Intel-10-Foundry-7

Billede af ET, udarbejdet fra dataWikiChip

Delta 14nm / delta 10nm-kolonnen viser, hvor meget hvert firma skalerede en bestemt funktion ned fra sin tidligere node. Intel og Samsung har et strammere minimum metalhøjde end TSMC har, men TSMC's SRAM-celler med høj densitet er mindre end Intels, hvilket sandsynligvis afspejler forskellige kunders behov på det taiwanske støberi. Samsungs celler er i mellemtiden endnu mindre end TSMC'er. Alt i alt rammer Intels 10 nm-proces imidlertid mange af de vigtigste målinger, som både TSMC og Samsung kalder 7 nm.

Individuelle chips kan stadig have funktioner, der afviger fra disse størrelser på grund af bestemte designmål. De oplysninger, producenterne angiver om disse numre, er til en typisk forventet implementering på en given node, ikke nødvendigvis et nøjagtigt match for nogen specifik chip.

Der har været spørgsmål om, hvor tæt Intels 10 nm + -proces (brugt til Ice Lake) afspejler disse tal (som jeg tror blev offentliggjort for Cannon Lake). Det er rigtigt, at de forventede specifikationer for Intels 10nm-node muligvis har ændret sig lidt, men 14nm + var også en justering fra 14nm. Intel har udtalt, at det stadig er målrettet mod en 2,7x skaleringsfaktor for 10nm i forhold til 14nm, så vi holder på enhver spekulation om, hvordan 10nm + kan være lidt anderledes.

Trækker det hele sammen

Den bedste måde at forstå betydningen af ​​en ny procesknude på er at tænke på det som et paraplyudtryk. Når et støberi taler om udrulning af en ny procesknude, koger det ned til dette:

”Vi har skabt en ny fremstillingsproces med mindre funktioner og strammere tolerancer. For at nå dette mål har vi integreret nye produktionsteknologier. Vi henviser til dette sæt nye produktionsteknologier som en procesknude, fordi vi ønsker et paraplyudtryk, der giver os mulighed for at fange ideen om fremskridt og forbedret kapacitet. ”

Eventuelle yderligere spørgsmål om emnet? Slip dem nedenfor, så svarer jeg dem.

Læs nu: