Состояние и планы развития ведущих кремниевых заводов

Состояние и планы развития ведущих кремниевых заводов

Выпуск 23(6722) от 26 ноября 2020 г.
РУБРИКА: ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ БАЗА

Роль кремниевых заводов как производственной базы полупроводниковой промышленности продолжает расти. Каждый из них при выборе стратегий дальнейшего развития основывается на уже имеющихся возможностях, а также ищет новые направления и конечные рынки. Это предполагает оценку необходимости расширения или оптимизации существующих мощностей, создания новых производств, формирования союзов по разработке перспективных технологических процессов и т. п.


Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC)

Специалисты корпорации TSMC ожидают, что основным фактором роста ее доходов в ближайшие несколько лет будут ИС для высокопроизводительных вычислений (high-performance computing, HPC). По объему заказов они превзойдут ИС для смартфонов, составляющих в настоящий момент главную статью дохода. Этот крупнейший в мире кремниевый завод благодаря достигнутому технологическому превосходству сумел по итогам III кв. 2020 г. получить такой объем заказов на ИС для сетей и средств связи 5G, который позволил увеличить квартальную прибыль на 30%.

По итогам 2020 г. объем доходов также вырастет – ​несмотря на вынужденный (под угрозой санкций США) отказ от приема заказов Huawei с четвертого квартала. Отмечается, что потеря заказов Huawei, на которые приходилось от 20 до 30% стоимости всех заказов, уже перекрыта спросом со стороны других фирм, при этом загрузка производственных мощностей приближается к 100%.

С точки зрения освоения перспективных процессов отмечается, что по итогам 2020 г. на 5-нм ИС придется 8% доходов, а в 2021 г. этот показатель увеличится до 20%. На рынке ИС, реализованных по 7-нм технологии, продукция TSMC (произведенная по заказу других фирм) в настоящее время составляет 88% мировых продаж. Единственный конкурент TSMC в производстве 7/5-нм ИС – ​foundry-отделение корпорации Samsung.

Факторы, которые в ближайшее время также будут оказывать воздействие на объем получаемых TSMC заказов, – ​возможное увеличение объемов аутсорсинга со стороны корпорации Intel и изменения в политике США относительно Huawei. Кроме того, решение AMD передать TSMC часть заказов, ранее исполнявшихся GlobalFoundries, стало причиной увеличения доли ИС для HPC в структуре заказов TSMC. Помимо ИС для HPC наблюдается увеличение заказов на изготовление микросхем для игровых приставок, ускорителей искусственного интеллекта (ИИ) и персональных компьютеров (ПК).

Отмечается, что по крайней мере до конца 2020 г. объем товарно-материальных запасов клиентов TSMC останется на более высоком уровне, чем обычно. Это связано с необходимостью обеспечить устойчивость цепочек поставок в условиях сохраняющейся неопределенности (пандемия, ожидание политических и экономических проблем).

Капиталовложения TSMC по итогам 2020 г. достигнут 17 млрд долл. (в начале года планировалось 16–17 млрд долл.). На IV кв. 2021 г. намечено освоение «промежуточного» 4-нм технологического процесса (N4). Он рассматривается как расширение возможностей «основного» 5-нм процесса (N5), который, как ожидают специалисты, TSMC будет использовать еще долгое время. Начало серийного производства 4-нм ИС намечено на 2022 г. Процессы N5 и N4 совместимы по проектным нормам, N4 обес-печивает дальнейшее повышение производительности и плотности размещения элементов при снижении потребляемой мощности.

Следующим «основным», или «полным», для TSMC станет 3-нм технологический процесс. По сравнению с N5 он позволит увеличить плотность размещения логических элементов на 70%, поднять производительность на 15% и снизить потребляемую мощность на 30%. Опытное производство по процессу N3 начнется в 2021 г., а серийное – ​во второй половине 2022 г.

В долгосрочном плане для TSMC остается неопределенным вопрос в какой мере ее мощности будут использоваться корпорацией Intel. Все более вероятным становится перенос на мощности TSMC до 100% аутсорсинга Intel по производству центральных процессоров (CPU). Окончательную ясность внесет ожидаемое решение Конгресса США о субсидиях на строительство заводов по обработке пластин на территории США. Пока предполагается, что в 2022 г. Intel будет заказывать TSMC производство своих CPU по технологическому процессу N4 (возможно размещение аналогичных заказов на мощностях foundry-отделения Samsung) [1].


GlobalFoundries

Корпорация GlobalFoundries, третий по величине доходов кремниевый завод, обладает комплексной стратегией развития своих производственных кластеров в Азии, Европе и США. Она планирует расширить производственные мощности, ориентированные на крупносерийное производство приборов с длительным жизненным циклом. Особое место в перспективных планах GlobalFoundries занимает Европа

Новые приложения и специализированные технологии

За последние 10–20 лет и общество, и условия ведения бизнеса претерпели существенные изменения. Начиная с освоения человеком каменных орудий и огня все крупные социальные и общественные преобразования обеспечивались определенными технологическими достижениями. Сейчас технологии постоянно усложняются, количество приборов и инструментов, используемых в повседневной жизни, непрерывно растет, меняется окружающий человека мир. Для самоуправляемых автомобилей, автономных транспортных средств, оснащенного ИИ промышленного оборудования, экзаразмерных суперкомпьютеров, приборов краевых вычислений, носимой электроники (wearables) и многого другого требуются совершенно новые типы процессоров и «систем-на-кристалле» (SoC). Эти новые типы процессоров и SoC только начинают появляться, при этом они по-прежнему производятся с использованием технологий, адаптированных либо к высокой производительности, либо к очень малой потребляемой мощности. Между тем важнейшей особенностью таких процессов должно стать сочетание свойств, специфичных для каждого конкретного продукта. Специализация производственных процессов стала постоянной тенденцией, однако подгонка любого технологического поколения (с точки зрения проектных норм) под требования конкретного применения не означает разработки с нуля совершенно новой технологии. Иногда, чтобы обеспечить самые разнообразные возможности, вполне достаточно внедрить новые библиотеки элементов или новые модули с последующей аттестацией.


Технология 22FDX: развитие экосистемы

Один из хороших примеров таких «расширяемых» технологических платформ – ​платформа 22FDX, основанная на 22-нм технологическом процессе корпорации GlobalFoundries с использованием полностью обедненного «кремния-на-изоляторе» (FD-SOI) (рис. 1). Она была представлена в середине 2015 г. в качестве недорогой альтернативы 14/16-нм процессам на основе FinFET. Первоначально GlobalFoundries предлагала четыре варианта своей платформы для различных рынков: 22FD-ULP (с ультранизкой потребляемой мощностью), 22FD-ULL (с ультранизким током утечки), 22FD-UHP (с ультравысокой производительностью) и 22FD-RFA (для интеграции РЧ и аналоговых приборов). Со временем для увеличения универсальности платформы в нее была добавлена технология магнитной (магниторезистивной) памяти – ​MRAM.



Источник: GlobalFoundries

Рисунок 1. Архитектура платформы 22FDX корпорации GlobalFoundries


Разработчики приложений, требующих максимальной производительности вне зависимости от затрат, обычно игнорировали 22FDX. Возможно, это происходило потому, что она появилась позже, чем конкурирующие FinFET-процессы, или потому, что не все функциональные возможности платформы могли быть использованы на начальных этапах ее жизненного цикла. В то же время проектировщики массово производимых приборов, обращающие в первую очередь внимание на малую потребляемую мощность в режиме ожидания, малый ток утечки и низкие затраты на проектирование (аналогичные показателям 28-нм процесса), освоили технологию 22FDX довольно широко.

В октябре 2020 г. GlobalFoundries заявила, что общие отгрузки ИС, реализованных на платформе 22FDX, достигли 350 млн шт. Также было отмечено, что продажи «победных конструкций» на основе 22FDX в 2020 г. достигли 4,5 млрд долл., а суммарные доходы начиная с 2017 г. составили 6,2 млрд долл. Возможно, контрактный производитель ИС, сопоставимый с GlobalFoundries, мог заработать за это время и больше, используя FinFET-технологии. Но специалисты GlobalFoundries сообщили, что рассчитывают использовать платформу 22FDX еще достаточно долго.


Экосистема активного смещения подложки

Одно из основных преимуществ платформы 22FDX – ​возможность программно-управляемого адаптивного смещения подложки (adaptive body bias (ABB), что позволяет точно подстраивать пороговое напряжение транзисторов ИС и находить правильный баланс между напряжением прямого смещения подложки (FBB), потребляемой мощностью и током утечки (reverse body bias, RBB). К дополнительным преимуществам ABB относится возможность оптимизации занимаемой кристаллом ИС площади и увеличение надежности, что значительно влияет на издержки. Функция ABB очень важна для кристаллов ИС с ультранизкой потребляемой мощностью, используемых в приборах Интернета вещей и носимой электронике.

До середины 2019 г. возможность применения ABB в рамках платформы 22FDX была ограничена. Но с недавних пор GlobalFoundries смогла запустить полную экосистему, реализующую все преимущества ABB (рис. 2). Этого удалось добиться, введя в платформу 22FDX библиотеки элементов и память с параметрами процесса, напряжения, температуры и возможностью определения параметров смещения подложки. Платформа также была дополнена генераторами смещения подложки и эталонными образцами, предоставленными корпорациями Cadence и Synopsys.



Источник: GlobalFoundries

Рисунок 2. Расширение гибкости технологии FD-SOI за счет динамического смещения подложки

* HKMG (high-k metal gate (process)) – процесс формирования ИС с металлическим затвором и высоким значением диэлектрической проницаемости диэлектрика.


Платформа 22FDX+

В качестве дальнейшего развития платформы 22FDX корпорация GlobalFoundries недавно представила платформу 22FDX+, ориентированную на широкий спектр приложений, включая Интернет вещей, сети и средства связи 5G, автомобильную электронику и спутниковые средства связи. Это расширение платформы 22FDX предоставляет разработчикам некоторые дополнительные элементы управления, позволяющие обеспечить высокую производительность или сверхнизкую потребляемую мощность, а также средства для реализации специальных возможностей. Самым первым технологическим процессом на основе платформы 22FDX+ станет 22FDX RF+. Он характеризуется улучшенными цифровыми и радиочастотными параметрами, удовлетворяющими требованиям следующего поколения модулей входных каскадов смартфонов. Начиная с I кв. 2021 г. данная технология будет доступна заказчикам на заводе GlobalFoundries в Дрездене (Fab 1, ФРГ) [2].


1. Patterson Alan. TSMC Sees HPC as Next Inflection Point. EE Times, October 20, 2020: https://www.eetimes.com/tsmc-sees-hpc-as-next-inflection-point/?utm_source=newsletter&utm_campaign=link&utm_medium=EETimesDaily

2. Shilov Anton. GlobalFoundries Offers Ambitious Tech Plans, While Eying an IPO. EE Times, October 21, 2020: https://www.eetimes.com/globalfoundries-offers-ambitious-tech-plans-while-eying-an-ipo/?utm_source=newsletter&utm_campaign=link&utm_medium=EETimesDaily


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 23(6747) от 25 ноября 2021 г. г.