Бельгийский исследовательский центр Imec и нидерландская компания ASML выпустили пресс-релиз, в котором сообщили о ряде совместных действий по улучшению сканеров диапазона EUV. Это не первое сотрудничество Imec и ASML. По тем или иным проектам центр и компания работают вместе около трёх десятилетий. Более того, в 2014 году они создали совместный исследовательский центр Advanced Patterning Center для оптимизации литографических технологий для развитых техпроцессов КМОП и для подготовки инфраструктуры для поддержки новейших технологий выпуска полупроводников.

Пример сканера компании ASML (ASML)

Сканеры EUV с использованием длины волны 13,5 нм только-только начали свой путь в коммерческом производстве чипов. Это произошло благодаря компании Samsung. С помощью штатного сканера ASML NXE:3400B Samsung в сутки обрабатывает до 1500 300-мм кремниевых подложек. И хотя для начала коммерческого использования сканеров этого достаточно, Samsung использует только половину из пропускной способности сканеров данной серии. Очевидно, что при интенсивном использовании технологии использования сканеров EUV требуют доработки. Центр Imec и компания ASML вновь объединяют усилия, чтобы сделать сканеры EUV ещё лучше.

Здание imec с новой «чистой комнатой» (imec )

Дальнейшая совместная деятельность Imec и ASML будет двигаться в одном направлении, но разными путями. Во-первых, Imec в недавно построенной «чистой» комнате установит сканер ASML NXE:3400B и сканер NXT:2000i для иммерсионной (с погружением в жидкость) литографии. Сканер NXE:3400B будет установлен до конца года, а NXT:2000i — в 2019 году. Во-вторых, Imec и ASML создадут совместную лабораторию high-NA EUV research lab для разработки оборудования и техпроцессов производства чипов с помощью сканеров с оптическими системами с высоким значением числовой апертуры (NA). Для этого лаборатория получит сканер EXE:5000 с NA 0,55, что намного больше NA сканера NXE:3400B, которая равна 0,33.

Перспективы освоения новых технологических норм с помощью сканеров ASML (ASML)

Сканер NXE:3400B с числовой апертурой 0,33 может за один проход «нарисовать» 7-нм и даже 5-нм элемент. Чтобы создать на кремнии элемент размерами 3 нм и меньше необходимо увеличить значение NA и, тем самым, ещё ближе придвинуть оптику к пластине, что само по себе затруднит работу сканера. Сканеры с NA свыше 0,5 компания ASML планирует выпустить после 2020 года, но не позже 2025 года. Похоже, следование этим планам будет зависеть от успехов совместных лабораторий Imec и ASML.

Также центр Imec возьмёт на вооружение инструменты ASML YieldStar для оптической оценки дефектов и систему ASML-HMI Multi-electron beam для оценки дефектов в наноструктурах. С помощью нового оборудования Imec и ASML намерены всесторонне совершенствовать техпроцессы с использованием сканеров EUV.

В пятницу нидерландский регистратор Authority for Financial Markets (AFM) сообщил, что компания Intel уменьшила принадлежащую ей долю акций в компании ASML до уровня менее 3 %. Предыдущее снижение акций до уровня менее 5 % компания Intel провела в декабре 2017 года. Поскольку компания ASML выпускает сканеры для литографического производства полупроводников и является монополистом в этой области, резонно предположить, что Intel рассматривает данное направление как теряющее инвестиционную привлекательность, чтобы это ни значило.

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

Акции ASML компания Intel приобрела в два этапа летом 2012 года. На первом этапе компания заплатила ASML $2,1 млрд за 10 % акций и ещё $680 млн за разработку оборудования для выпуска чипов на 450-мм кремниевых пластинах. В ходе второго этапа Intel приобрела ещё 5 % акций ASML за $1 млрд с целью обеспечить финансирование разработки EUV-сканеров. Итого Intel заплатила ASML $4,1 млрд на новые разработки, плодами которых, к слову, она сегодня не может воспользоваться. Зато EUV-разработками нидерландской компании в полной мере воспользовались компании Samsung и TSMC.

Типичный современный литографический сканер компании ASML для выпуска полупроводников

В том же 2012 году ASML дополнительно продала 10 % акций, которые между собой поровну разделили Samsung и TSMC. Позже TSMC полностью избавилась от акций ASML, продав их почти в два раз дешевле, чем покупала. Тем не менее, и TSMC, и Samsung близки к коммерческому запуску EUV-литографии, что было бы сложно сделать без тех инвестиций в 2012 году.

Компания TSMC отчиталась о работе в сентябре 2018 года и рассказала о результатах третьего квартала календарного 2018 года. Подробно о работе за отчётный период TSMC расскажет 18 октября на встрече руководства компании с инвесторами. Обычно на таких мероприятиях TSMC подробно говорит о производственных планах на будущее, так что постараемся не пропустить это событие. Что ещё больше привлекает к мероприятиям этого тайваньского контрактника, так это отказ GlobalFoundries от гонки за техпроцессами от 7 нм и ниже. Фактически за каждый новый покорённый нанометр продолжат сражаться только TSMC и Samsung, но не будем забегать вперёд.

Выручка за сентябрь и за весь третий квартал текущего года во многом определялась заказами на 7-нм техпроцесс, главным потребителем которого стала компания Apple. Для неё TSMC выпускает 7-нм SoC A12, которую можно обнаружить в новейших смартфонах Apple. Кроме этого полученная денежная масса выросла за счёт ослабления денежной единицы Тайваня — нового тайваньского доллара. Оба этих фактора позволили TSMC последовательно увеличить выручку в сентябре на 4,2 % до 94,92 млрд новых тайваньских долларов ($3,06 млрд). В годовом сравнении сентябрьская выручка TSMC выросла на 7,2 %.

Квартальная выручка тайваньского производителя со второго квартала последовательно выросла на 11,6 % и всего на 3,2 % за год — до 260,3 млрд новых тайваньских долларов или до $8,41 млрд в эквиваленте. Консолидированная квартальная выручка оказалась меньше первоначального прогноза, но лучше скорректированного в августе прогноза после вирусной активности на производстве TSMC в августе. Похозяйничавший на заводе вирус отнял у TSMC до $140 млн. В целом компания развивается лучше полупроводниковой отрасли и намерена дальше укреплять своё положение на рынке контрактных полупроводников.

На сайте агентства DARPA (The Defense Advanced Research Projects Agency, Defense ARPA) появилось сообщение о запуске новой программы Accelerated Molecular Discovery (AMD). Программа по ускорению открытия новых молекул направлена на военные цели, что, впрочем, не исключает мирного применения разработок, если таковые будут предложены.

DARPA

По представлению учёных, вселенная молекул насчитывает 10⁶⁰ комбинаций. Из этого фактически бесконечного множества человечеством открыто и исследовано только 140 млн молекул. Среди неоткрытых молекул наверняка скрываются такие, которые способны укрепить оборонную и наступательную мощь США. Проблема только в том, что каждое новое открытие молекул до сих пор — это интуитивный путь движения учёных с длительными повторяющимися экспериментами, а военным надо быстро и чётко. Дан приказ — немедленно выполнить и доложить!

К счастью, на подхвате оказался поднимающий голову искусственный интеллект. Программа AMD (не путать с одноимённой компанией) предполагает конкурс решений на базе ИИ для создания молекул по представленному набору требований. Это могут быть молекулы для безопасного моделирования боевых химических агентов, для медицины, для покрытий, для красок, для эффективного топлива и многое другое, что придёт на ум пытливому военному разуму.

Платформы ИИ для поиска новых молекул должны уметь извлекать информацию из баз данных и из текстов и создавать инструменты и физически обоснованные руководства для производства молекул с заранее заданными характеристиками. Вебинар с разъяснениями программы DARPA AMD запланирован на 18 октября. Кроме этого, агентство ждёт талантливых химиков и коллективы для работы над увлекательными проектами.

В середине сентября обеими партиями в Верхней палате Конгресса США был поддержан закон о развитии квантовых технологий в США или National Quantum Initiative Act. Законом предусмотрен бюджет на развитие «квантовых инициатив» в размере $1,3 млрд на следующие пять лет до 2023 года, но в целом принятая федеральная программа охватывает 10-летний период развития. В законе есть несколько строк, объясняющих необходимость в подобной дорогостоящей правительственной программе. В частности, заявлено, что «...Китай начал открыто декларировать национальной целью намерение обойти США в квантовых вычислениях в течение следующего десятилетия». Опасения ответственных лиц США понятны, но что думают по этому поводу профильные министры в Китае?

По этому поводу обратимся к заметке на сайте EXPreview, который привёл высказывания из свежего интервью министра промышленности и информационных технологий Мяо Вэйя (Miao Wei). Влиятельный китайский политик сообщил, что утверждение о возможности его страны обойти США за 10 лет в области высоких технологий не соответствует действительности. Технологическое могущество Китая сильно переоценено. Министр напомнил, что ещё в 2015 году в докладе Народному политическому консультативному совету Китая НПКСК (CPPCC) он сообщил, что по развитию промышленности КНР отстаёт от США на 30 лет. За три года изменилось много, но радикальных изменений за это время точно не произошло.

Безусловно, правительство Китая разработало и проводит стратегию превращения страны из мировой производственной площадки в центр мировых разработок. Но страна лишь в начале долгого пути. За 10 лет такой отрезок не пройти. Что касается США, то, по мнению министра, страны должны не закрываться друг от друга, а развиваться вместе и совместными усилиями. Можно оставаться конкурентами, но совместно двигаться вперёд одинаково быстро. Изоляция и обособление в попытках обойти соперника за закрытыми дверями — это пагубная и неэффективная практика.

Кстати, неделю назад на домашней конференции China IC Summit 2018, которую регулярно проводит компания Tsinghua Unigroup, её президент Жао Вейгуо (Zhao Weiguo) также был сдержан в оптимистических прогнозах технологического развития Китая. Глава Tsinghua считает, что через 10 лет в период с 2028 по 2030 годы Китай лишь войдёт в пятёрку лидеров мировых полупроводниковых супердержав. При этом он будет занимать четвёртое или третье место, но никак не первое. Как видим, сами китайцы адекватно оценивают свою позицию в мире высоких технологий.

На днях компания GlobalFoundries провела персональную технологическую конференцию GTC 2018. На мероприятии руководство компании вновь методично с графиками в руках пояснило, почему GlobalFoundries отказалась от гонки за передовыми техпроцессами. В августе, как мы сообщали, GlobalFoundries сообщила о приостановке разработки техпроцессов с нормами 7 нм и меньшими.

Безоблачно прошлое: подложка, обработанная с использованием экспериментального техпроцесса 5 нм IBM Research Alliance

Основная проблема заключается в экономическом обосновании дальнейшего снижения технологических норм. Точнее, тонкие техпроцессы заключаются в сравнительно небольшую нишу, работа в которой даёт экономический эффект только в определённом сочетании условий. Для GlobalFoundries эти условия не сложились. Поэтому компания сделала разумную ставку на возвращение ранее вложенных в заводы инвестиций.

GlobalFoundries

Из диаграммы выше следует, что в следующие пять лет производство с техпроцессами с нормами менее 12 нм разовьётся в относительно небольших пределах, тогда как рынок производства с техпроцессами от 12 нм и более крупными увеличится на $9 млрд. Это тот кусок пирога, на который теперь нацелена GlobalFoundries, и на эти деньги наверняка можно жить и даже процветать.

GlobalFoundries

На своём опыте компания убедилась, что инвестиции в новейшие техпроцессы растут такими темпами, которые создают проблему для их возврата, а выигрыш в виде роста производительности чипов и в снижении их потребления очень и очень мал. Выше на графике GlobalFoundries показала, что инвестиции в разработку 12/14-нм техпроцессов в три раза больше, чем инвестиции в 22 FDX (FD-SOI) и 28-нм техпроцессы при скромном выигрыше в виде улучшенных характеристик транзисторов.

GlobalFoundries

Чтобы разработчики не думали, что их лишили доступа к чему-то достаточно соблазнительному, компания представила выкладки аналитиков по ожидаемой стоимости проектирования чипов для техпроцессов с нормами менее 7 нм. Так, стоимость разработки 7-нм решения окажется почти вдвое затратнее разработки 10-нм чипов и будет стоить до $300 млн за одну оригинальную версию кристалла. А стоимость разработки 5-нм решения подскочит ещё почти в два раза — до $550 млн за чип. На это деньги есть у ограниченного числа бесфабричных компаний. Так стоило ли входить в клуб производителей 7-нм чипов? Для себя GlobalFoundries сделала однозначный вывод — не стоило. Хорошо, что смогли остановиться вовремя.

Это не новость из прошлого. Это суровая реальность, о которую разбились планы развития полупроводникового производства компании GlobalFoundries. В августе компания сообщила об остановке перехода на 7-нм техпроцесс и о заморозке на своих заводах техпроцессов на уровне 12/14 нм. В таких условиях не остаётся ничего другого, как улучшать далеко не новые, но пока ещё интересные для решения ряда задач техпроцессы.

GlobalFoundries

Так, свежим пресс-релизом GlobalFoundries сообщила, что на своём заводе Fab 10 в Ист-Фишкилл для выпуска чипов на 300-мм кремниевых пластинах она квалифицировала новый техпроцесс под кодовым именем 8SW. Под этим именем скрывается техпроцесс с нормами 130 нм, о чём компания, очевидно из скромности, решила не упоминать. В то же время для производства с техпроцессом 8SW используются не обычные монолитные кремниевые пластины, а пластины с дополнительным изолирующим слоем или SOI.

В общем случае новый техпроцесс называется 8SW RF SOI и предназначен для производства радиочастотных чипов и радиочастотных компонентов для узлов и модемов сотовой связи или для других высокочастотных устройств. Новый техпроцесс позволит клиентам компании выпускать решения для сотовой связи пятого поколения, для вещей с подключением к Интернету и многое другое. Ранее для этой цели GlobalFoundries предлагала гибридный 180/130-нм техпроцесс 7SW, который был внедрён ещё в бытность завода Fab 10 собственностью компании IBM в 2014 году. Переход на 130-нм техпроцесс 8SW RF SOI обеспечит уменьшение площади кристаллов на 20 % и снижение потребления на 70 %.

GlobalFoundries

За всё время использования пластин SOI для выпуска радиочастотных компонентов с 2007 года компания IBM, а затем и GlobalFoundries выпустили в общей сложности 40 млрд чипов. Следует ожидать, что повсеместный переход на беспроводную связь от датчиков IoT до автомобилей и традиционных систем связи легко удвоит эту цифру за пять лет или даже быстрее. Для этих решений не нужен 7-нм техпроцесс и более мелкие техпроцессы. Техпроцесса с нормами 130 нм хватит за глаза.

За каких-то три года компания TSMC незаметно стала крупнейшим в мире упаковщиком чипов объёмной (3D) компоновки. Как сообщает тайваньский интернет-ресурс DigiTimes, в области 2.5D/3D-упаковки чипов TSMC обладает возможностями обрабатывать до 200 тыс. подложек в месяц. Для сравнения, лидирующие на рынке упаковки чипов компании Advanced Semiconductor Engineering (ASE) и Amkor Technology могут ежемесячно упаковывать в 2.5D/3D-упаковку кристаллы с 20–30 тыс. пластин каждая, а компания Siliconware Precision Industries (SPIL) — 100–120 тыс. пластин. Ради справедливости уточним, все перечисленные компании (кроме TSMC) имеют куда большие возможности для упаковки обычных планарных или одиночных кристаллов, куда TSMC вход заказан.

NVIDIA Tesla P100 (пример упаковки TSMC CoWoS, GPU и HBM)

История самостоятельной 2.5D/3D-упаковки TSMC началась с покупки в 2014 году тайваньского завода компании Qualcomm по выпуску дисплеев Mirasol на MEMS-ячейках. Тайваньский производитель превратил завод Qualcomm в фабрику по передовой упаковке чипов. Внедрённый на предприятии метод упаковки InFO-WLP (integrated fan-out wafer-level packaging) помог TSMC выиграть заказы на выпуск часов Apple Watch и 10-нм SoC Apple. В настоящий момент на предприятии в основном применяется метод упаковки CoWoS (chip on wafer on substrate), с помощью которого, например, TSMC выпускает GPU NVIDIA Volta с памятью HBM на общей подложке. Но это всё упаковка 2.5D, которая использует тот или иной субстрат (мост, подложку).

2.5D упаковка TSMC: InFO и CoWoS

Настоящая 3D-упаковка начнётся с освоения технологии  WoW (wafer-on-wafer). Это прямая состыковка кристаллов либо со стороны контактной группы, либо с лицевой стороны (со стороны расположения элементов). Сообщатся даже о первом клиенте на эту технологию, которым якобы стала компания HiSilicon (подразделение Huawei).

Пример упаковки Wafer on Wafer (Cadence)

Сообщается, что для упаковки WoW и более прогрессивных методов производства чипов компания TSMC собирается строить на севере Тайваня новый завод. В компании TSMC не подтвердили эту информацию, но знакомые с работой правительственного агентства по контролю за окружающей средой источники раскрыли, что Environmental Protection Administration (EPA) начала оценку влияния возможного завода на среду вблизи города Чунань в провинции Мяоли.

Apple S1 для «умных» часов Apple (упаковка типа SiP)

Объёмная упаковка чипов представляется ключевой технологией для продления действия закона Мура. Пусть в видоизменённой форме, но этот закон продолжит работать. Это означает дальнейший прогресс в деле выпуска более совершенных полупроводниковых решений, а для компании TSMC самостоятельное участие в процессе прогрессивной упаковки чипов станет гарантией успешного будущего.

Ещё в мае на конференции IEEE International Memory Workshop (IMW) производитель литографического производственного оборудования компания Applied Materials представил собственное видение развития многослойной 3D NAND памяти. На недавней конференции Flash Memory Summit 2018, которая прошла в начале августа, тему перспектив многослойной NAND памяти подхватил аналитик компании Objective Analysis Джим Ханди (Jim Handy). Джим Ханди не просто аналитик, а специалист и получатель целого ряда патентов на технологии, связанные с кеш-памятью. По авторитетному мнению Ханди, через три или четыре года производители флеш-памяти смогут выпускать 512-слойные микросхемы 3D NAND, что позволит приблизиться к SSD впечатляющей ёмкости.

Objective Analysis

Предпосылкой для производства 3D NAND с полутысячей слоёв станут технологии предельно тесного соединения кристаллов 3D NAND. Новейшая 96-слойная 3D NAND, например, выпускается в виде состыковки двух 48-слойных кристаллов 3D NAND на уровне слоёв, а не подложек, как происходило в случае упаковки в столбик более двух кристаллов DRAM или 2D NAND. Это может вести к потери части слоёв, как, например, в случае памяти 3D NAND Samsung с более чем 90 слоями. Состыковка ведёт к потере двух слоёв в каждом кристалле, и память Samsung выходит 92-слойной (по неподтверждённой официально информации).

96-слойная 3D NAND может быть составлена из двух 48-слойных кристаллов 3D NAND (International Memory Workshop 2018)

Сегодня производители 3D NAND научились выпускать 64-слойную 3D NAND в едином цикле (монолитную). Именно 64-слойная память станет основой 512-слойных микросхем. Большее число слоёв невозможно изготовить в едином цикле за разумное время, слишком глубоко и долго придётся «бурить» одиночный кристалл. Нетрудно подсчитать, что 512-слойная память 3D NAND будет состыкована из восьми 64-слойных кристаллов. С учётом использования четырёхбитовой ячейки, которая может дать ёмкость 8 Тбит на 64-слойный чип, ёмкость 512 3D NAND QLC будет составлять 1 Тбайт. Поскольку производители научились упаковывать в один корпус до 16 кристаллов, то на выходе получаем 16-Тбайт микросхемы 3D NAND уже через три или четыре года. В 2,5-дюймовом формфакторе можно разместить 32 таких микросхемы. Так что SSD ёмкостью 512 Тбайт в обозримом будущем — это достаточно реалистичный сценарий.

Буквально на днях произошёл один знаковый инцидент, о котором поспешил доложить китайский интернет-ресурс EXPreview. В микроблогах Weibo один из зарегистрированных участников поделился новостью о небывалом доселе случае отказа в получении работы в высокотехнологической европейской компании. Один из китайских студентов, который заканчивает обучение в Нидерландах, направил запрос об отправке резюме для получения работы по месту в компании ASML или в её дочерних структурах. Ответ представителя ASML обескуражил. Под давлением правительства США компании якобы запрещено принимать на работу китайцев.

Позиция ASML понятна. При сборке сканеров для полупроводникового литографического производства она опирается на поставки комплектующих из многих стран, включая США. Поэтому она уязвима для возможных санкций, если американцы обвинят её даже в непредумышленном пособничестве Китаю по передаче технологий. Подобной позиции можно ожидать от других европейских компаний и более чем вероятно — от американских компаний. Возможно, вопрос смены гражданства облегчит китайцам поиск работы в IT-сфере в США и Европе. Но в случае накала борьбы за чистоту рядов случиться может всякое. Примеры этому можно легко найти в не таком далёком прошлом.

Литографический сканер ASML диапазона EUV

Компания ASML не зря попала в поле зрения служб безопасности США. Она является безусловным лидером по разработке промышленного оборудования для выпуска полупроводников, в чём отчаянно нуждается Китай. Тем самым в ASML фактически в одном месте сосредоточены главные секреты в области работы с кремниевыми пластинами. К такому кого попало не допустишь. Остаётся вопрос, будет ли для Китая намного хуже, если прошедший обучение в Европе студент вернётся на родину и начнёт работать на её благо?