На днях TSMC провела такое ежегодное мероприятие, как форум поставщиков компании — материалов, оборудования, технологий и прочего. По результатам года среди представителей из свыше 700 компаний со всего мира были выбраны и премированы девять наилучших. Но сейчас речь не об этом, хотя масштабы зависимости контрактного производителя от поставщиков впечатляют безо всяких оговорок. На форуме генеральный директор TSMC Си Си Вэй (CC Wei) сделал интересное объявление. Так, на юге Тайваня вблизи города Тайнань компания будет строить новый завод для обработки кремниевых пластин. Необычное в данном случае то, что это будет завод по обработке 200-мм подложек, а не ставших массовыми 300-мм пластин.

Генеральный директор TSMC Си Си Вэй (фото Digitimes)

Последней раз компания строила фабрику для обработки 200-мм подложек примерно 15 лет назад. Основная разница между 200-мм и 300-мм пластинами в том, что на пластинах большего диаметра получается в два раза больше чипов, чем на пластинах меньшего диаметра. В два раза! Это серьёзный фактор, влияющий на себестоимость микросхем. Почему TSMC пошла на этот шаг, пока остаётся только догадываться. Шеф компании утверждает, что это потребовалось для удовлетворения растущего спроса со стороны клиентов. Также нет ясности с техпроцессами, которые будут внедрены на новом предприятии. Коротко сообщается, что это будет специализированный техпроцесс, что бы это ни значило.

В то же время напомним, научный парк вблизи Тайнаня выбран местом строительства будущего завода TSMC для внедрения 3-нм техпроцесса. Предприятие должно быть построено к 2022 году с инвестициями в районе $20 млрд. Это огромные деньги, как и потребуются значительные ресурсы в виде воды и электроэнергии для обеспечения производственной деятельности предприятия. Поэтому может так статься, что компания решила изменить планы по вводу в строй 3-нм техпроцессов. Например, построив для этого менее масштабный завод с прицелом на обработку 200-мм пластин. Если это так, то это очередной звоночек полупроводниковой отрасли — на горизонте маячит замедление со всеми вытекающими неприятностями.

На конференции 2018 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) представители бельгийского исследовательского центра Imec продемонстрировали доказательство эффективности магниторезистивной памяти SST-MRAM для использования в качестве разделяемой кеш-памяти вместо традиционной памяти SRAM. Для этого была разработана модель массива SST-MRAM и выпущен опытный чип, на котором были проведены все необходимые измерения.

Следует отметить, что опытный массив памяти SST-MRAM выпущен с использованием 5-нм техпроцесса. Для производства был использован 193-нм сканер и однопроходная иммерсионная литография (с погружением в жидкость). Тем самым разработчики доказали, что процесс производства массива кеш-памяти SST-MRAM с технологическими нормами 5 нм может быть достаточно недорогим.

Сначала с помощью расчёта, а затем путём замеров был составлен график зависимости потребления массива кеш-памяти SST-MRAM и SRAM в зависимости от объёма памяти. Выяснилось, что в случае ёмкость 0,4 Мбайт память SST-MRAM становится эффективнее памяти SRAM в режимах чтения, а при наборе ёмкости 5 Мбайт потребление в режиме записи памяти SRAM начинает превышать потребления в режиме записи памяти SST-MRAM. Это означает, что в техпроцессах 5 нм память SST-MRAM невыгодно использовать для кеш-памяти первого и второго уровней, тогда как для кеш-памяти третьего уровня, обычно разделяемой, это эффективная замена SRAM. К тому же память SST-MRAM является энергонезависимой, что добавляет ей очков при сравнении с обычной оперативной памятью.

Остаётся напомнить, что ячейка памяти SST-MRAM представляет собой бутерброд из диэлектрика, заключённого между двумя слоями с намагниченностью: одну с фиксированной, а вторую — с переменной. В зависимости от поляризации тока свободный слой меняет направление намагниченности благодаря движению через него электронов с заданным вращающим моментом. Использование SST-MRAM вместо SRAM решает также другую задачу — это увеличения плотности ячеек памяти. Эксперимент показал, что в рамках 5-нм техпроцесса ячейка SST-MRAM занимает примерно 43,3 % от площади ячейки SRAM.

Накануне издание Commercial Times сообщило, что в следующем полугодии часть передовых полупроводниковых линий тайваньской компании TSMC могут оказаться загруженными не полностью. Некий осведомлённый источник из среды промышленников якобы сообщил, что компании Apple, HiSilicon и Qualcomm опасаются заказывать TSMC чрезмерные объёмы 7-нм мобильных процессоров. В сумме в первые шесть месяцев 2019 года объём простаивающих 7-нм линий может достигать 20 %, что довольно много.

Компания TSMC не стала комментировать эти заявления. Очередная встреча с инвесторами TSMC запланирована на середину января. Пока же руководство этого тайваньского контрактного производителя полупроводников придерживается старых прогнозов — добиться в 2019 году от 7-нм техпроцесса выручки не менее 20 % от совокупной за год. По итогам 2018 года доля выручки от 7-нм линий составит около 10 %. Правда, в отдельности за четвёртый квартал 2018 года доля выручки от 7-нм техпроцесса уже приблизилась к 20 % от общего дохода за квартал. Но если в первом полугодии лидеры рынка мобильных процессоров в лице упомянутых выше компаний снизят объёмы заказов, то TSMC рискует не удержаться в обозначенных рамках.

Рынок SoC для смартфонов действительно развивается со слабеющей динамикой. Она положительная, но не такая крутая, как раньше. Слух о возможном простое самых востребованных для флагманских SoC линий вполне вписывается в данную тенденцию. Другое дело, что этой продукцией дело не ограничивается. Компания TSMC обслуживает 7-нм заказы разработчиков ASIC для майнеров, а также выпускает процессоры и GPU компании AMD. Впрочем, падение котировок криптовалют уже не позволяет TSMC рассчитывать на значительные доходы от данного сектора.

Возможно, значительная загрузка 7-нм линий TSMC с возможностью расширения произойдёт только во второй половине 2019 года. По словам TSMC, на конец следующего года она ожидает увидеть от клиентов около 100 проектов чипов для выпуска с использованием 7-нм техпроцесса. Это будет в два раза больше, чем на конец текущего года. Иными словами, во втором полугодии 2019 года может образоваться дефицит 7-нм линий TSMC, что, в общем-то, тоже плохо. Ведь именно в этот период обещают выйти 7-нм настольные GPU и CPU компании AMD.

В понедельник на стартовавшей годовой конференции International Electronic Devices Meeting (IEDM 2018) глава контрактного подразделения компании Samsung Electronics д-р Юнг (Dr. ES Jung) сделал интересное заявление. Согласно приведённой на сайте Pulsenews цитате (которой нет в официальном пресс-релизе), Samsung намерена запустить массовое производство чипов с использованием 3-нм техпроцесса в 2020 году. Ранее компания Samsung официально сообщала, что техпроцесс с нормами 3 нм с использованием кольцевых затворов (Gate-All-Around Early/Plus, 3GAAE/GAAP) будет внедрён в массовое производство в 2021 году. Если компания действительно собирается форсировать внедрение 3-нм техпроцесса, то это означает, что она нацелена на значительный рывок на рынке контрактных полупроводников.

Глава контрактного полупроводникового производства Samsung д-р Юнг (Dr. ES Jung)

По поводу 3-нм техпроцесса GAA в пресс-релизе Samsung сказано, что полное название технологии звучит как Multi-Bridge-Channel FET(MBCFET). Каналы транзисторов в такой структуре представляют собой вертикальный стек из нескольких уложенных друг на друга наностраниц (мостов), каждая из которых окружена собственным затвором. Характеристиками таких транзисторов легко управлять, варьируя ширину наностраниц и их количество, тем самым оптимизируя транзисторы для той или иной задачи. Что самое приятное, эти структуры можно выпускать на тех же самых линиях, что и структуры с транзисторами FinFET с совпадением технологий производства до 90 %. Необходимо лишь изменить часть фотошаблонов, что обеспечит простую миграцию с FinFET-техпроцессов на GAA-техпроцессы.

Каналы транзисторов превратятся в «перемычки» из нанопроводов и наностраниц (изображение IBM)

Без учёта цитаты на Pulsenews, Samsung говорит о завершении квалификации 3-нм техпроцесса. Начало производства с этими нормами стартует по плану, а всё оставшееся до этого момента время компания посвятит шлифовке деталей нового техпроцесса. Да, самое интересное, что Samsung выпустила опытный массив SRAM с использованием 3-нм техпроцесса MBCFET, однако пока данных о характеристиках образца нет. Как только они появятся, мы сразу об этом сообщим.

wsj.com

Зачем Samsung нужен этот рывок, если он действительно запланирован? Обоснованно предполагается, что Samsung необходимо усилить направление на контрактное производство чипов. Это снизит зависимость от рынка DRAM, который подвержен сильным колебаниям. На этапе внедрения 7-нм техпроцесса Samsung уступила компании TSMC, но может обогнать её на этапе внедрения 3-нм техпроцесса. Сейчас Samsung вкладывает огромные деньги в полупроводниковые предприятия по выпуску чипов, включая контрактное производство. В ближайшие годы она рассчитывает довести годовую выручку на этом направлении до $10 млрд и выше, тогда как в прошлом году выручила около $4,6 млрд. Выход на цифру $10 млрд сделает Samsung второй по величине в мире на рынке контрактников после TSMC.

В рамках проекта «5-100», участниками которого является 21 университет (это проект с господдержкой для повышения конкурентоспособности российских образовательных центров), учёные из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) сообщили о моделировании ячейки магнитной компьютерной памяти нового типа. Предложенная ячейка магнитной памяти работает на спиновом токе и отличается от всех коммерческих видов современной памяти.

Условное изображение магнитного вихря, известного как скирмион (Nanoscale / Royal Society of Chemistry)

Спиновый ток от обычного тока на заряжённых частицах (электронах) отличается тем, что перенос намагниченности происходит без переноса заряда. По сходному принципу работает память MRAM с эффектом переноса спина (STT-MRAM). Но в случае MRAM меняется намагниченность всего рабочего слоя ячейки, который довольно большой, отчего нельзя радикально повысить плотность записи MRAM. Физики ДВФУ в качестве элемента для хранения данных (для удержания намагниченности) воссоздали самостоятельный элемент скирмион. Мы уже рассказывали о таком физическом явлении как скирмион. Это магнитная вихревая структура наноразмерного уровня, направление магнитной оси индивидуальных атомов в которой меняется по мере удаления от центра вплоть до полной противоположности.

Более того, российские физики представили улучшенный скирмион — скирмиониум. В обоих случаях — это топологически устойчивые вихревые участки намагниченности, которые возможно с небольшими энергетическими затратами возбудить в ферромагнетике с помощью спинового тока. При этом вихревые образования стабильны, не размагничиваются и не требуют энергии для сохранения данных. Скирмиониум от скирмиона отличается более устойчивой структурой, например, на него практически не действует сила Магнуса, что предотвращает спонтанное размагничивание.

Зарождение скирмиониума с помощью спин-орбитальной передачи вращательного момента (иллюстрация Scientific Reports)

Физики из ДВФУ смоделировали скирмион радиусом 2 нм и скирмиониум радиусом 15 нм. В первом случае можно говорить о плотности записи 50 Тбит/дюйм², во втором — 1 Тбит/дюйм². В последнем случае это — примерная плотность записи на современных магнитных пластинах с перпендикулярной записью с использованием «черепичной» технологии SMR, что не очень интересно для промышленного использования, так что учёным есть над чем поработать.

Что касается скорости записи, то на моделях она достигает 700 пикосекунд или, в пересчёте на более понятные цифры, 170 Мбайт/с для восьмибитовой «скирмионовой» ячейки. Чем больше ячеек, тем скорость записи будет выше, но пока говорить о практической стороне вопроса сильно преждевременно.

Трековая (беговая) память в представлении IBM

Новая память, кстати, получила название беговой. Подобную память под кодовым именем racetrack memory с 2008 года разрабатывает компания IBM. Идея в том, чтобы данные перемещались по носителю под воздействием синхроимпульсов без использования какой-либо механики. Скирмионы как раз позволяют реализовать подобную схему работы. Подробно о проделанной работе физики из ДВФУ рассказали в публикации на сайте Scientific Reports.

На днях во время визита Президента Франции Эммануэля Макрона (Emmanuel Macron) в Бельгию два ведущих научных учреждения из этих стран подписали стратегический меморандум о взаимопонимании. Бельгийский исследовательский центр Imec и французский исследовательский институт CEA-Leti договорились вместе разрабатывать технологии в области искусственного интеллекта и квантовых компьютеров.

Важно отметить, что Imec и CEA-Leti планируют разрабатывать технологии для так называемого периферийного искусственного интеллекта Edge Artificial Intelligence (eAI). Периферийный ИИ представляется решением в виде чипа или компактной самостоятельной платформы, способной на месте анализировать обстановку и принимать решения для выполнения локальной задачи. Эта часть ИИ должна работать без облака или являться ячейкой распределённой ИИ-сети. Развитие данной области искусственного интеллекта обещает поднять на новый уровень как индустриализацию, так и решить массу проблем социума.

Квантовые вычисления также представляются приоритетным видом научной деятельности двух крупнейших европейских центров исследований. Европа не желает плестись в хвосте разработок и через партнёрство Imec и CEA-Leti намерена дойти до стадии создания квантовых компьютеров. В этом также будет помогать немецкий центр Fraunhofer Group for Microelectronics Общества Фраунгофера (Fraunhofer-Gesellschaft), стратегическое соглашение о сотрудничестве с которым центр CEA-Leti заключил несколько ранее.

Здание imec с новой «чистой комнатой» (imec)

Интересным в данном союзе можно считать то, что оба центра — французский и бельгийский — обладают самыми передовыми в Европе средствами производства полупроводников. Европа давно забыла о модернизации заводов для выпуска чипов, тогда как CEA-Leti и Imec могут выпускать не только опытные чипы нанометрового уровня, но даже организовать при надобности мелкосерийный выпуск продукции. Иначе говоря, если бы не они, то практическая сторона квантовых и нейроморфных разработок в Старом Свете была бы заранее обречена на провал.

По различным оценкам, контактными линзами сегодня пользуются около 130 млн человек. Преимущественно линзы используются для коррекции зрения, но у этих оптических приборов есть скрытый и гораздо больший потенциал. Раскрыть его поможет современная промышленность по производству электроники и последние достижения в этой отрасли. Контактные линзы могут стать носимыми диагностическими приборами и средствами по дозированной доставке лекарств в глазное яблоко.

На форуме ITF Japan 2018 (technology forum) в Японии бельгийский исследовательский центр Imec показал первую, по словам разработчиков, мягкую гидрогелевую контактную линзу со встроенной электроникой. Разработка создана совместно с учёными Гентского университета (Ghent University, UGent) и производителем контактных линз компанией SEED Co., Ltd. Мягкая контактная линза с большим содержанием воды несёт встроенный светодиод, сверхтонкий кремниевый контроллер, радиочастотную антенну для беспроводной передачи энергии и эластичную тонкоплёночную основу с токопроводящими контактами для соединения всего этого хозяйства в действующую электронную цепь.

Разработка не имеет какой-то практической ценности (разве что декоративную — на будущий Хеллоуин подсветить роговицу светодиодом), и призвана лишь очертить круг возможностей для будущего применения. Так, получая питание извне, контактная линза с электроникой может длительное время работать в полупассивном режиме. Длительному времени ношения способствует гидрогелевая среда линзы, которая является газопроницаемой и, следовательно, пропускает кислород к роговице. Электроника линзы может питать и управлять встроенными в неё датчиками и передавать информацию для анализа на внешние устройства, например, на смартфон.

В качестве материала для подложки с электроникой и проводниками выбран термопластичный полиуретан (thermoplastic polyurethane, TPU). Под воздействием температуры этот материал переходит от плоской формы к изогнутой (для примера с линзами — с кривизной изгиба до 9 мм). Он обладает низкой жёсткостью, оптически прозрачен, пропускает кислород и, что самое главное, давно проверен на биологическую совместимость с организмом человека. Дальше дело за малым: разработать необходимую электронику и средства дозировки и доставки лекарства непосредственно в глаз. И тогда контактные линзы превратятся из инструмента коррекции зрения в инструмент восстановления зрения после травм, болезней или хирургического вмешательства.

В свежем номере издания Nature Nanotechnology два исследователя из компании IBM — Кристофер Люц (Christopher Lutz) и Кай Ян (Kai Yang) рассказали об уникальном опыте изучения магнетизма атома меди. В традиционном понимании медь не является магнитным материалом, но при определённых условиях её атомы могут демонстрировать намагниченность. Главное из этих условий — это изоляция атома меди от других атомов меди. Провести подобный эксперимент учёным помог сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), щуп которого позволяет не только «увидеть» элементарную частицу размером с один атом, но и переместить её из одного места в другое.

IBM

После изучения изолированного атома меди выяснилось, что магнитная ориентация ядра связана с магнитной ориентацией находящегося вне ядра электрона. Эта связь позволяет считать или записать данные, меняя ориентацию магнитного поля ядра атома меди с помощью поданного на щуп СТМ напряжения. На рисунке выше художник изобразил связь между магнитными полями ядра меди (слева), электрона (справа) и тока, текущего через щуп и электрон (справа). Медь для новой памяти, кстати, была выбрана по причине лучшей проводимости тока, чем железо.

Интересно отметить, что у предложенного метода записи данных в виде смены ориентации магнитного поля атома меди есть ещё одно преимущество перед, скажем, обычной магниторезистивной памятью. Так, если ячейка MRAM хранит данные в виде намагниченности в двух возможных направлениях, то атом меди имеет четыре устойчивых квантовых состояния направления магнитного поля. Проще говоря, ячейка памяти из атома меди может хранить четыре значения данных.

Учёные не скрывают, что они находятся на раннем этапе разработки нового вида памяти. Поэтому сегодня рано говорить о каких-либо сроках коммерциализации открытия. До появления карт памяти с записью данных в каждый атом меди наверняка пройдёт не одна пятилетка. Но с чего-то же надо начинать? Не так ли?

На прошедшей неделе нидерландская компания ASML — крупнейший в мире производитель оборудования для литографической проекции при изготовлении полупроводников — провела встречу с инвесторами и пролила свет на свои производственные планы, а также оценила перспективы отрасли. С точки зрения ASML, чьи сканеры в среднем покупают в 84 случаях из 100, рынок прикладной электроники демонстрирует и будет демонстрировать завидное здоровье. В частности, чипы будут востребованы для области связи 5G, ИИ, автономного вождения и больших данных.

Первый коммерческий сканер ASML для EUV-литографии (NXE:3300B)

Потребность в полупроводниках для представленных областей и другого транслируется в спрос на продукцию заводов по обработке кремниевых пластин во всех уголках мира. Особенный интерес возникает к самым передовым техпроцессам, что отрасли обычно было не свойственно. Поэтому также складывающаяся обстановка будет благоприятствовать переходу от DUV-сканеров (193-нм) на EUV-сканеры (13,5-нм). Новейшие техпроцессы снова поддержат закон Мура и обеспечат снижение масштабов технологических норм как с точки зрения удешевления производства, так и с позиций роста производительности решений.

Более того, в компании официально подтвердили, что сканеры EUV в ближайшем будущем будут применяться не только для изготовления 7-нм логики (процессоров и другого), но также для производства памяти типа DRAM. Сканеры для выпуска DRAM уже поставлены клиентам и проходят квалификационную проверку. С использованием EUV-проекции будет начат выпуск микросхем памяти с нормами 16 нм. Они помогут удешевить производство DRAM. В частности, за счёт уменьшения числа проходов при проекции. Если вы внимательно следили за новостями на нашем сайте, то вам нетрудно будет вспомнить, что 16-нм DRAM с использованием сканеров EUV будет выпускать Samsung.

Сканер ASML для EUV-литографии с оголённой оптической системой зеркал (NXE:3300B)

Новым сканером для EUV станет установка NXE:3400C с производительностью 170 пластин в час при 90 % нагрузке. Актуальные модели сканеров NXE:3400B способны в тех же условиях за час обрабатывать до 150 пластин. Тем самым за сутки набегает почти полтысячи обработанных пластин, что станет хорошим аргументов в пользу перехода на сканеры EUV. Параллельно ASML обещает увеличить разрешение сканеров EUV с помощью выпуска оптики не только с числовой апертурой 0,33 NA, но также с NA 0,55, что произойдёт в следующую декаду. Новое оборудование должно быть встречено в отрасли с интересом, поскольку бизнес по выпуску полупроводников (логики, DRAM и NAND), как уверены в ASML, ждёт хороший рост как минимум до 2025 года со среднегодовым показателем роста 15–20 %.