Производство CPU. Планы на 2003-2007-й год

Планы UMC и TSMC

Кстати, пора бы действительно вернуться к сегодняшнему дню, и переместиться несколько юго-восточнее - на Тайвань, где находятся фабрики двух крупнейших местных полупроводниковых гигантов, UMC и TSMC. В отличие от всех вышеперечисленных компаний, эти не производят продуктов под собственной торговой маркой, занимаясь исключительно контрактным производством. Как правило, обе фирмы воспринимаются как игроки одного уровня, тем не менее, TSMC, по крайней мере, в последние годы, явно находится на полшага впереди своего конкурента.

Основанная в 1987 году, на данный момент компания обладает семью 200 мм фабриками и двумя 300 мм, наиболее тонким используемым техпроцессом является 130 нм - 8 слоев медных соединений с low-k диэлектриком, транзисторы с шириной затвора до 80 нм. В принципе, не так уж плохо по сравнению с остальными. В том числе, и по темпам внедрения - производство началось еще в конце 2000 года, из успешных общеизвестных продуктов можно назвать VIA C3.

К сожалению, нельзя сказать, чтобы техпроцесс использовался столь же успешно на всех фронтах, широкоизвестная история с провалом первоначального выпуска чипов для NVIDIA тому лучшее подтверждение. На десятках миллионов транзисторов в чипе 130 нм техпроцесс TSMC не смог обеспечить требуемого выхода годных чипов, что вынудило NVIDIA впервые за все время их сотрудничества прибегнуть к поиску второго партнера для производства. IBM предпочитает именно таких клиентов - со сложными заказами, и у нее есть лучшие на данный момент технологии. Неудивительно, что выбор NVIDIA пал именно на нее.

Тем не менее, не стоит судить обо всем по данной неудаче, частично вызванной торопливостью NVIDIA, на которую та имела свои причины. Прогресс TSMC продолжается, и сегодня компания уже практически имеет в своем распоряжении свой 90 нм техпроцесс, впервые получивший персональное название - Nexsys. Подобно последним техпроцессам ранее названных компаний, он позволяет сочетать в рамках одного чипа транзисторы со слоями оксида разной толщины (три варианта, если быть точным), что позволяет комбинировать более экономичные транзисторы, работающие с нормальной скоростью, с более быстрыми, но и более прожорливыми и горячими.

Длина канала транзистора также примерно соответствует показателям американских компаний - 50 нм, а вот по слоям металлических соединений с TSMC может поспорить лишь IBM - 9 слоев медных проводников с изоляцией из low-k диэлектриков с k<2.9. Одновременно с IBM намеревается TSMC начать и массовое производство чипов на базе Nexsys - со второй половины этого года.

Естественно, что, поскольку компания является контрактным производителем чипов, как и IBM, она должна иметь в своем распоряжении максимальное количество техпроцессов, пригодных для нужд всех своих текущих и потенциальных клиентов. В отношении TSMC это справедливо на все сто процентов: в ее ассортимент входят в том числе и такие вещи, как уже упоминавшиеся SiGe BiCMOS устройства.

Компания не объявляет широко о своей R&D деятельности, но годовой бюджет в этой области около 300 миллионов долларов и теснейшие связи с большинством разработчиков на этом рынке (вроде Applied Materials), не говоря уже о том, что, ряд из них, как, например, Philips Electronics имеют прямой материальный интерес в TSMC, поскольку являются одними из ее совладельцев, то, очевидно, что компания находится в струе, и намерена и дальше оставаться в числе технологических лидеров. По крайней мере, это уж точно относится к разрабатываемому совместно Philips/ST Microelectronics/TSMC 65 нм техпроцессу.

Точно так же, как самостоятельно, так и через партнеров подобного уровня, компания занимается и разработками, нацеленными в более отдаленное будущее, внимательно изучая все возможные альтернативы. Хотя, конечно, и не в такой степени, как ее американские, японские, или европейские конкуренты, традиционно уделяющие более значительное внимание фундаментальным исследованиям.

Примерно то же самое будет справедливым и относительно UMC, делая поправку на более мелкие масштабы деятельности той. И R&D бюджет около 250 миллионов долларов в год (сравним с 4 миллиардами долларов у Intel в этом году), и не столь успешный опыт сотрудничества с другими компаниями (а здесь будет уместно вспомнить неудавшееся партнерство с AMD). Тем не менее, недооценивать UMC было бы совершенно неуместно.

Пусть с опозданием, но компания только что начала коммерческое производство чипов по своему 130 нм техпроцессу (первой, как обычно, отметилась Xilinix с одной из своих FPGA матриц) - 8 слоев медных соединений с low-k диэлектриками (k=2.7), два варианта транзисторов, длина канала транзистора - до 70 нм. Вполне нормально для 130 нм техпроцесса, хотя, конечно, и заметно позже, чем у всех остальных. Может быть поэтому AMD и предпочла для партнерства более сильного игрока.

Но, с другой стороны, одновременно UMC начала и поставку своим клиентам образцов чипов, сделанных уже по 90 нм техпроцессу, доказывая, что на этом этапе компания вновь готова занять свое место в строю. При этом, L90 является абсолютно конкурентоспособным продуктом, со своими 9 слоями металлизации и тремя вариантами оксида в транзисторах. Впрочем, сумеет ли UMC в этом году сделать L90 достаточно дешевым для коммерческого использования - это еще очень большой вопрос. К сожалению, компания отличается тем, что она первой, или одной из первых, демонстрирует новые технологии (ей принадлежит наибольшее количество патентов в области полупроводниковых технологий на Тайване), но в массовое использование вводит их одной из последних.

Как и TSMC, ей приходится иметь в своем распоряжении весь спектр техпроцессов, от чистой CMOS логики или BiCMOS SiGe, до RF CMOS или CIS фотоматриц. Так, 0.18 мкм BiCMOS SiGe техпроцесс должен будет стать доступным для клиентов уже во второй половине этого года, придя на смену использующемуся сегодня его 0.35 мкм предшественнику. Новое поколение же чистых CMOS процессов, L65, как явствует из названия, с 65 нм транзисторами, UMC планирует ввести в строй где-то в первой половине 2005 года, примерно в тех же временных рамках, когда это сделают ее конкуренты. Вероятно, там может появиться и SOI, работы над которым UMC ведет.

Естественно, несмотря на удачу с AMD, у UMC хватает связей в своей области. В первую очередь, безусловно, ключевым партнером компании является Infineon, с которым, как и с IBM, UMC заключила в 2000 году соглашение о совместных разработках в области техпроцессов. Однако о дальнейшем сотрудничестве с IBM почти никакой публичной информации нет, тогда как с Infineon UMC построила совместную фабрику в Сингапуре - UMCi, а также, уже в прошлом году, сформировала совместную исследовательскую команду по разработке 65 и 45 нм техпроцессов для 300 мм пластин. Разумеется, этим дело не ограничивается, и у UMC имеется совместная команда разработчиков и со все той же ST Microelectronic, и история успешной тесной работы с Intel, TI, AMD, и Motorola, в том числе и в области фундаментальных исследований.

Вот и был продемонстрирован срез лучших компаний, работающих сегодня с CMOS логикой, в частности, можно сказать, что и с x86 процессорами (IBM - совместимый с x86 Crusoe, UMC - потенциально, Athlon XP). Состояние дел у этой пятерки на данный момент очень хорошо характеризует положение дел в индустрии в целом, то же самое относится и к их планам. В особенности, конечно, это касается таких монстров, как Intel и IBM, хотя к ближней и средней перспективе это применимо и к UMC с TSMC.

Подводя итог:

Емкость межчиповых соединений за последние годы стала проблемой, сказывающейся на скорости передачи сигнала между транзисторами, но ее частично решает повсеместное применение low-k диэлектриков в качестве изоляторов медных проводников.

Толщина оксидного слоя - параметр, непосредственно влияющий на скорость работы транзистора, дошла до минимально возможного уровня при использовании диоксида кремния. В следующих поколениях транзисторов мы увидим уже использование других материалов - high-k диэлектриков, с выросшими на порядки изолирующими свойствами.

С целью борьбы с утечками и для дальнейшего увеличения скорости работы транзисторов, на техпроцессах от 90 нм и ниже все более активно начнет использоваться SOI, причем, подход Intel к этому вопросы выглядит наиболее привлекательным.

Очевидно, что с увеличением числа транзисторов, количество слоев металлизации в процессорах будет плавно, но неуклонно расти - появившиеся уже сегодня у некоторых фирм 9 слоев это наглядно демонстрируют.

По мере роста тактовых частот в транзисторах начнет появляться все больше скоростного германия. Это и технологии растянутого кремния, и SiGe структуры.

Сегодняшние темпы развития литографии вполне укладываются в требуемые рамки: и 157 нм оборудование для 65 нм техпроцесса, и EUV устройства для 45-30 нм, должны быть готовы к тому моменту, когда производители будут готовы к этим техпроцессам.

По мере роста частот производители, вероятно, будут вынуждены перейти на трехмерные транзисторы - с двумя или тремя затворами. Ожидается серьезный прорыв как по производительности, так и по энергопотреблению.

По мере роста количества транзисторов в чипах, потребуется отказаться от Flip/Chip упаковки, переходя к более совершенным технологиям.

И все это - уже в пределах ближайших 5-7 лет.

Дополнительные материалы: