IDF 2009: за горизонтом новых технологий / Аналитика

Полупроводниковые технологии Intel: от 32 нм к 22 нм и далее

Как бы ни были интересны новости «прикладного» плана – о новых процессорах, компьютерах, сервисах, рассказы о сегодняшнем и будущем дне полупроводниковых технологий в любом случае захватывают дух не меньше. Шутка ли, процессоры, применяемые в большинстве сегодняшних обычных компьютеров, коммуникаторов, телефонов, плееров, построены из миллионов, десятков или даже сотен миллионов транзисторов, «разглядеть» каждый из которых по отдельности по силам далеко не любому современному электронному микроскопу. Что ещё более удивительно, каждый такой транзистор обходится нам при покупке в нанокопейки. При том, что на всё это – на разработку новых экономичных и производительных чипов, на технологические процессы и на оборудование для их выпуска, производителям приходится тратить миллиарды долларов, и непременно делать это регулярно, ежегодно, согласно Закону Мура - невзирая ни на какие кризисы. Иначе затопчут конкуренты. Слово «кризис», кстати сказать, почти не звучало в дни Форума. И действительно, оправдания причинам неудач нужны лишь отстающим. Компании Intel никакие оправдания не нужны, поскольку даже в непростое для индустрии время она смогла сохранить высокие темпы разработки и внедрения в массовое производство новых полупроводников с совершенно новыми технологическими нормами производства. Кстати, для справки: к сегодняшнему дню компания уже поставила более 200 млн процессоров, выполненных с соблюдением норм 45-нм техпроцесса.

Закон Мура, продолжающий действовать на протяжении уже более 40 лет, позволяет Intel поступательно наращивать производительность чипов и постоянно интегрировать новые функциональные возможности в новые поколения процессоров. Ряд ключевых докладчиков IDF 2009, в том числе Боб Бейкер (Bob Baker), старший вице-президент компании и Генеральный менеджер подразделения Technology and Manufacturing Group, и Марк Бор (Mark Bohr), старший заслуженный инженер-исследователь Intel, в своих выступлениях подробно рассказали о производственных проблемах, встающих в процессе перехода на новые технологические нормы, а также об инженерных решениях, позволяющих превратить такой переход из сугубо "механического" масштабирования в шедевр искусства, позволяющий путём применения новых материалов и новых схематических решений добиться дополнительного роста производительности при одновременном снижении энергопотребления. Дополнительные детали о новом 22-нм техпроцессе Intel и перспективных разработках компании в освоении следующего, 15-нм техпроцесса, удалось выяснить в специальном интервью с Марком Бором.

Впервые представленная во время презентации Пола Отеллини (Paul Otellini), генерального директора и президента Intel, 300-мм пластина с работающими чипами, изготовленными с соблюдением норм 22-нм техпроцесса, вновь подтвердила непрерывающуюся актуальность Закона Мура. Микросхемы SRAM, произведённые с применением 22-нм техпроцесса – это массив ячеек памяти ёмкостью 364 млн бит из 2,9 млрд транзисторов, где каждая ячейка SRAM занимает площадь 0,092 кв. мкм или 0,108 кв. мкм (второй вариант специально оптимизирован для работы при низковольтном питании). Также стоит подчеркнуть, что все эти 2,9 млрд транзисторов размещаются на площади размером с ноготь человека, что примерно вдвое больше плотности, достигаемых при работе с 32-нм техпроцессом.

Тестирование новых техпроцессов Intel на чипах памяти SRAM и соответствующей логической обвязке в рамках стратегии "тик-так" можно назвать традиционной "генеральной репетицией" перед следующим прорывом – выпуском процессоров с соблюдением этих норм производства. Проверка на работоспособность 22-нм технологии не стала исключением: пластина с чипами памяти SRAM доказала пригодность нового техпроцесса к массовому производству и надежность получаемых продуктов.

Самое, пожалуй, удивительное во всём этом то, что инженерам Intel для выпуска 22-нм чипов по-прежнему удаётся использовать литографические инструменты, применявшиеся ещё несколько "технологических поколений" назад. Так, 22-нм элементы чипы формируются при литографии экспонированием фотомаски традиционным аргон-фторовым лазером с длиной волны 193 нм. Только представьте себе: 22-нм элементы "рисуются" с помощью 193-нм источника света! Разумеется, традиционные способы экспонирования здесь уже давно не применимы. В своём выступлении и последовавшем затем интервью Марк Бор подтвердил, что переход на 22-нм нормы главным образом заключался в масштабировании разработок предыдущих поколений на новые, более точные нормы производства. Хотя так просто этот переход не дался: для столь прецизионного техпроцесса пришлось разрабатывать сложнейшие многослойные фотомаски с фазовым сдвигом, применять иммерсионную (с погружением в жидкость) фотолитографию с двойным проходом и множество других инженерных ухищрений. И, разумеется, пришлось значительно усовершенствовать технологию создания транзисторов с Hi-K металлическим затвором. При переходе на нормы 22 нм было реализовано уже третье поколение этой технологии.

В время презентации Боба Бейкера приглашённый на сцену Хесус Дель Аламо (Jesus Del Alamo), специалист из Массачусетского технологического института (MIT) вкратце поведал об основных направлениях дальнейшего развития полупроводниковой индустрии, в частности, о перспективах применения элементов III и V групп периодической системы Д.И. Менделеева, о переходе к дизайну транзисторов с ещё меньшим – порядка 0,5 В, напряжением питания, что позволило бы добиться ещё большей экономии расхода электроэнергии.

Впрочем, самые интересные и актуальные с технологической точки зрения откровенности прозвучали в рассказе Марка Бора. Так, заслуженный инженер Intel совершенно уверен, что технологии, применяемые сегодня, будут успешно масштабированы не только на 22-нм техпроцесс, но также и на следующий, 15-нм техпроцесс. По крайней мере, по его мнению, никаких особых сложностей при этом возникнуть не должно. Размеры транзисторов и их компонентов при этом, разумеется, значительно уменьшатся, но всё оборудование, применяемое сегодня, можно будет с успехом использовать и при 15-нм производстве.

В своих выступлениях инженеры - официальные представители производственных подразделений своих компаний, практически никогда не обсуждают процент выхода годных чипов, особенно при переходе к новому техпроцессу, при котором он, разумеется, уменьшается, выравниваясь лишь по прошествии некоторого времени, уходящего на "подгонку" оборудования. Так, в презентациях Intel непременно рисуются лишь восходящие кривые для каждого техпроцесса, без указания каких-либо процентных данных. Однако сложности, безусловно, есть, таковы законы физики. О растущей сложности производства и в какой-то степени зависящем от этого проценте выхода готовых чипов косвенно говорит хотя бы тот факт, что даже при использовании иммерсионной литографии приходится прибегать к двойному проходу.

Одного прохода уже недостаточно для получения чётких дорожек, а двойной проход соответственно снижает общую производительность оборудования и в конечном счёте ведёт к увеличению срока окупаемости инвестиций, даже без привязки к проценту выхода годных кристаллов. Напрямую мы не обсуждали этот вопрос с Марком Бором, однако на мой вопрос о том, почему среди альтернатив традиционным технологиям Intel не спешит применять электронно-лучевую литографию, последовал чёткий ответ: эта технология пока что слишком медленна для массового производства. Таким образом, можно с уверенностью сказать, что по крайней мере для 32-нм техпроцесса нынешняя 193-нм иммерсионная фотолитография фотомасок с фазовым сдвигом более продуктивна, и примерно такой же прогноз можно дать в отношении 22-нм техпроцесса Intel.

Также необходимо отметить, что в своём рассказе Марк Бор высоко оценил нынешние возможности Intel по выпуску фотомасок с фазовым сдвигом. В своё время переход к этой технологии потребовал значительных усилий инженеров и учёных компании, однако сейчас, по словам Марка Бора, технология полностью отработана и переход к новым технологическим нормам не связан с затруднениями с выпуском фотомасок. Примерный срок изготовления комплекта фотомасок сейчас составляет, по оценке Марка Бора, примерно 2 недели. Это очень высокий показатель, судите сами, с какой оперативностью Intel при желании может выпускать новые степпинги чипов или перестраивать производство в соответствии с динамично формирующимися запросами рынка.

Заглядывая далее, в область техпроцессов менее 15-нм, Марк Бор рассказал, что Intel в настоящее время рассматривает различные способы производства чипов, в том числе глубокий ультрафиолет (Extreme ultraviolet lithography, EUV). Не буду пересказывать содержание многочисленных статей о EUV-литографии – за последние годы мы много писали о перспективах этой технологии, однако многочисленные проблемы всё время отодвигали её применение "ещё на несколько лет". Если вкратце, в отличие от нынешнего дальнего ультрафиолета (Deep Ultraviolet, DUV), где применяются источники света с длиной волны 193 нм, EUV-литография базируется на источниках света с длиной волны 13,5 нм. По-хорошему, уже как-то даже неловко называть излучение рентгеновского диапазона "светом", но из песни слов не выкинешь. Такая длина волны значительным образом меняет представление о производственном процессе, поскольку всепоглощающаяся EUV-радиация требует совершенно других условий экспозиции, фотомасок и фоторезистов из совершенно других материалов и так далее. Так вот, среди многочисленных проблем, вставших на пути внедрения EUV-литографии, наиболее сложной проблемой считалось создание 13,4 нм "источника света" с мощностью, достаточной для коммерческого производства чипов, а мощность эта оценивалась на уровне 50-100 Вт. По словам Марка Бора, к настоящему времени удалось решить и эту проблему, так что теоретически путь для использования EUV-литографии уже открыт. Теоретически – потому что, во-первых, коммерческое внедрение такого техпроцесса потребует огромных и отнюдь не одноразовых инвестиций, во-вторых, пока что говорить о стабильности этой технологии ещё рано, и наконец, в-третьих, говорить о временах перехода на технологии менее 15 нм ещё действительно рановато, к тому времени много воды утечёт, не исключено, что удастся найти какие-то неизвестные доселе технологии производства. Кстати, ряд различных исследовательских компаний, таких как SEMATECH и IMEC, уже демонстрировали экспериментальные 22-нм ячейки SRAM, однако по общему мнению индустриальных экспертов и аналитиков, время EUV-литографии вряд ли наступит ранее 2013 года.

Марк Бор также оживился, когда я задал ему вопрос по поводу перспектив внедрения в производство 450-мм кремниевых пластин. Вопрос этот, кстати говоря, достаточно болезненный и постоянно отодвигаемый во всех роадмэпах: при действительно впечатляющем выигрыше от производства чипов на таких огромных по сравнению с нынешними 300-мм пластинами, остро встаёт вопрос многомиллиардных инвестиций в 450-мм оборудование. Помятуя о том, какие деньги приходилось тратить на рубеже тысячелетий первым компаниям, переходившим с 200-мм на 300-мм пластины, переход на 450-мм подложки – дело просто неподъёмное в одиночку. Так оно, в общем-то и есть. По словам Марка Бора, работы по переводу производства на 450-мм пластины ведутся в плотном взаимодействии с двумя другими крупнейшими компаниями индустрии, которым это по плечу – Samsung и TSMC. Разумеется, никаких, даже примерных сроков запуска производства на этих пластинах Марк Бор пока называть не стал, что косвенно свидетельствует о том, что в этой области работ ещё непочатый край.

На этом наша наиболее сложная технологическая часть репортажа с IDF 2009 подошла к концу. Следующий репортаж будет посвящён самым интересным новинкам, представленным в рамках Форума. Оставайтесь с нами!