ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Некоторые тенденции развития производственной базы микроэлектроники

Пять тенденций, меняющих микроэлектронику

Платформа EUV Zenith корпорации Edwards и перспективы рынка материалов для литографии

Взгляд изнутри: Китаю желательно использовать подход «больше, чем Мур»

Тайвань и американо-китайская борьба за лидерство в микроэлектронике

Новые стимулирующие меры для развития производственной базы полупроводниковой промышленности в США

Современное состояние китайской микроэлектроники

КНР готовится к технологическому «разводу» с США

Шесть чувств и не только…

Современное состояние производственной базы микроэлектроники

Некоторые аспекты американо-китайской «технологической холодной войны»

Сбываются ли планы КНР по обеспечению самодостаточности в области ИС?

Новый план стимулирования НИОКР в США на 34 млрд долл.

Прогноз продаж полупроводникового оборудования

Производственная база микроэлектроники США

Проблемы развития микроэлектроники КНР

Министерство обороны США расширяет возможности корпорации SkyWater Technology

Проблемы развития микроэлектроники КНР

ЕС выделяет 2 млрд евро на повышение квалификации занятых в микроэлектронной отрасли

В КНР начался второй этап работы «Большого фонда» развития микроэлектроники

Состояние и перспективы микроэлектроники США

Методика оценки экологичности производства ИС

Ренессанс полупроводниковых технологий

Ренессанс полупроводниковых технологий

Выпуск 24(6723) от 10 декабря 2020 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Структурные сдвиги на рынках полупроводниковых приборов и конечных систем их применения привели к тому, что некоторые эксперты уже назвали ренессансом микроэлектроники. В течение последнего десятилетия доминирующей движущей силой развития полупроводниковой экосистемы была индустрия мобильных телефонов. Сейчас ее заменяют такие конечные рынки, как автомобильная, медицинская и промышленная электроника, а также искусственный интеллект.

Крупные сдвиги в сфере полупроводниковых приборов и конечных рынков их потребления привели к явлению, названному некоторыми отраслевыми обозревателями «ренессансом полупроводниковых технологий». Появление новых требований к изделиям и технологиям микроэлектроники, дополняющих и расширяющих уже существующие многогранные наборы требований, привело к структурным изменениям во всей полупроводниковой промышленности и к усилению специализации – ​одной фирме, даже самой крупной, давно уже не под силу обеспечивать себя всем необходимым. Более того, область того, что может самостоятельно делать одна компания, сужается.

В течение последнего десятилетия основным фактором развития всей экосистемы полупроводниковой промышленности – ​от поставщиков инструментальных средств САПР и разработчиков сложнофункциональных (СФ) блоков до кремниевых заводов – ​была индустрия мобильных телефонов. В данный момент спрос на продукцию этой отрасли вышел на плато, и дальнейшее развитие полупроводниковой промышленности будет связано с другими факторами – ​такими как вертикально-организованные и горизонтально-организованные рынки и отрасли промышленности. К первым относятся автомобильная, медицинская и промышленная электроника, ко вторым – ​искусственный интеллект (ИИ), сектора, развивающиеся в рамках тенденции «Больше, чем Мур», а также сегменты, связанные с растущими ограничениями на потребляемую мощность и тепловыделение.

Представители индустрии разработчиков инструментальных средств САПР подтверждают данную тенденцию, указывая, что растет спрос, во‑первых, на средства автоматизированного проектирования (САЕ), во‑вторых, на средства проектирования ИС на физическом уровне и верификации. Это, согласно многолетним наблюдениям, говорит о том, что поставщики ИС начали изготавливать новые продукты для конечных пользователей. При этом спрос на средства проектирования печатных плат и многокристальных модулей несколько снизился.

Поставщики мобильных телефонов остаются одним из значимых факторов роста спроса на ИС, несмотря на тенденцию к расширению круга таких факторов. К ним добавились поставщики ряда услуг, в частности, гиперразмерных вычислений. Последние способствуют ускоренному развитию вертикально-организованных рынков, зависящих от инфраструктуры крупных центров обработки данных (ЦОД) или добавляющих ИИ ко всем видам вычислений – ​в потребительских товарах, промышленности, автомобилестроении, авиакосмическом секторе.

Отраслевые аналитики отмечают расхождения между мобильными и высокопроизводительными вычислениями (НРС). Завершение действия масштабирования Деннардаповлияло на оба этих направления, но реакция отличалась. Сторонники НРС продолжали осваивать техпроцессы со все меньшими проектными нормами и поддерживали процессоры массивами стандартных модулей ДОЗУ. Сторонники мобильной техники и соответствующих вычислений догнали сторонников НРС в плане погони за все меньшими проектными нормами и даже стали доминировать в этом отношении за счет большей покупательной способности. Они внедрили многоядерные проекты, использующие сложные решения РоР ДОЗУ, благодаря чему смогли преодолеть ряд физических ограничений, связанных с мобильными приборами. Замедление, а в перспективе прекращение действия закона Мура ударило в первую очередь по сектору НРС и в некоторой степени привело к разработке ДОЗУ с высокой пропускной способностью (high-bandwidth memory, HBM) и методик 2,5D-корпусирования. Появилась возможность обойти ограничения, связанные с производительностью стандартных ДОЗУ. В то же время портфель РОР-технологий продолжал обеспечивать средства мобильной связи памятью с достаточной пропускной способностью.

Сектор мобильной связи не стоит на месте. Растет «продвинутость» широкого круга изделий – ​от мобильных телефонов 5G до базовых станций. В конечном счете мобильная связь внедрится на многие другие рынки, что будет сопровождаться генерацией значительных объемов мобильных данных, для которых, в свою очередь, потребуются высокопроизводительные вычисления (конвергенция на новом уровне).


Новые горизонтально-организованные рынки и отрасли

Горизонтальные связи пронизывают все конечные рынки и требуют внимания с точки зрения экосистемы в целом. В прошлом эти связи были типизированы на базе вычислительной архитектуры фон Неймана, реализованной в монолитной КМОП-технологии и верификации. Позднее к ней добавился фактор потребляемой мощности. В последние годы все большее значение приобретают горизонтально-ориентированные рынки и отрасли, в том числе ИИ, средства безопасности и многое другое.

Следующий импульс развития исходит от данных. Независимо от множества типов данных можно выделить два значимых фактора. Во-первых, это приборы и устройства, осуществляющие передачу данных по сети (не важно, широкополосная связь или 5G, главное – ​функция передачи). Здесь основные трудности – ​время ожидания, пропускная способность и емкость. Во-вторых, нарастание объема данных требует увеличения возможностей их обработки – ​вычислительной мощности. Это обеспечивается средствами НРС и ИС ИИ. Таким образом, следующие основные факторы роста спроса на полупроводниковые приборы – ​это сети передачи данных и вычислительные средства и возможности.

Появляются новые вычислительные архитектуры. ИИ, машинное обучение, глубокое обучение получают все большее распространение. «Всепроникающий» интеллект перестает быть занимательной игрой слов – ​различные аспекты машинного обучения и глубокого обучения внедряются практически на каждом вертикально-организованном рынке. По каждой «вертикали» и в каждой отдельной области электроники, которая эти «вертикали» поддерживает, быстро растут объемы генерируемых данных и происходят взрывообразные расширения вычислительных возможностей. Без использования ИИ и машинного обучения справиться с растущими объемами вычислений сегодня невозможно.

Можно выделить разные аспекты этой проблемы даже в рамках ИИ. Например, с точки зрения «систем-на-кристалле» (SoC) появляется своего рода матрица проблем «2×2». Во-первых, SoC могут быть предназначены как для работы в ЦОД, так и использоваться в краевых вычислениях. Во-вторых, собственно ИИ также двойственен – ​с одной стороны, он предназначен для обучения нейронной сети, а с другой – ​для использования этой нейронной сети в реальных условиях для формирования логического вывода.


Безопасность

Новой горизонтально-организованной связью становится безопасность. Кибербезопасность и борьба с пиратством приобретают все большее значение, что вызывает закономерную реакцию разработчиков аппаратного обеспечения, ПО, а также разработчиков ПО СФ-блоков и всей производственной экосистемы полупроводниковых приборов. Специалисты отмечают, что отрасль приближается к моменту, когда каждый поставщик ИС – ​не только аэрокосмические фирмы или компании оборонной промышленности – ​переходят на образ мышления «не доверяй никому и ничему». Следует не только обеспечить соответствие методологии, СФ-блоков, технологии проектирования, методик формирования 3D ИС и т. п. требуемому балансу «производительность – ​потребляемая мощность – ​занимаемая площадь» (performance, power, area – ​PPA). Необходимо также обеспечить определенный уровень безопасности не только на сегодняшний день, но и на ближайшие 5–15 лет (в зависимости от отрасли применения полупроводниковых приборов). Управление жизненным циклом полупроводниковых приборов становится одной из важнейших задач потребителей. Иными словами, проблемы безопасности оказывают влияние не только на проектирование и производство, но и на область применения пользователем. Возникает вопрос прогнозирования проблем производительности и безопасности на протяжении всего жизненного цикла SoC.


Тенденция «Больше, чем Мур»

Ранее универсальным фактором роста, действовавшим на различных вертикально-организованных рынках, был закон Мура. Особенно важным это утверждение было для рынков, позволявших воспользоваться преимуществами дополнительной площади (например, увеличение свободного пространства на плате за счет уменьшения площади монтируемых на ней кристаллов ИС) или снижения потребляемой мощности за счет перехода к следующему технологическому поколению с меньшими проектными нормами. Сегодня закон Мура – ​по-прежнему движущий фактор развития полупроводниковой промышленности, но уже не единственный. В его рамках продолжается освоение в производстве 7-нм и 5-нм техпроцессов, идут исследования в области технологий с 3-нм и 2-нм проектными нормами. Около 10 лет назад основным показателем стала потребляемая мощность, однако она важна не только сама по себе, но и с учетом количества тепла, генерируемого системами во время работы. Так сформировался вектор горизонтального развития, получивший условное название «Больше, чем Мур».

Таким образом, на данный момент дальнейшее развитие полупроводниковой промышленности определяют две мегатенденции (рис. 1, 2). Наступает эра, характеризующаяся ориентацией на обработку данных, возможностью формировать новые вертикально-организованные рынки и отрасли. Различные аспекты полупроводниковой промышленности и рынков конечного потребления ИС становятся все более взаимосвязанными, что обеспечивает рост потребления полупроводниковых приборов, электронных систем и всего, что их поддерживает, включая фотонику, механику, теплотехнику и т. п.



Источник: IC Insights, VLSI Research

Рисунок 1. Мегатенденции развития полупроводниковой промышленности – «Больше Мура»



Источник: ODSA

Рисунок 2. Мегатенденции развития полупроводниковой промышленности – «Больше, чем Мур»

* MAC (media access controller) – контроллер доступа к среде.

** SerDes (serialiser/deserialiser) – параллельно-последовательный и последовательно-параллельный преобразователи.

*** NFP (network flow processing) – сетевая потоковая обработка.

**** RISC (reduced instruction per set) – процессор с сокращенным набором команд (тип микропроцессорной архитектуры, ориентированной на быстрое и эффективное выполнение относительно небольшого набора встроенных команд).

***** ASIC (application-specific integrated circuit) – специализированная (проблемно-ориентированная, заказная) ИС.

****** FPGA (field-programmable gate array) – вентильная матрица, программируемая пользователем.

******* PHY (physical layer protocol) – протокол физического уровня.


Подобные изменения затрагивают многие сферы. Пересматриваются архитектуры проектирования – ​именно здесь отмечается наибольшая дифференциация производителей ИС (особенно в сферах высокопроизводительных вычислений и ИС ИИ). Изыскиваются оптимальные методы проектирования ИС, позволяющие использовать все возможности кремниевых (и других полупроводниковых) структур. Уделяется серьезное внимание совершенствованию методологий и технологий, что позволяет достичь лучшего баланса РРА, оптимизировать производительность и потребляемую мощность. Впереди интенсивное использование многокристальных типов архитектур 3D ИС и в конечном итоге – ​гетерогенная интеграция кристаллов ИС.

Развивается тенденция использования чиплетов, позволяющая реализовывать разрозненные функции на одном и том же типе подсистемы. В результате можно этажировать кристаллы, интерпозеры, 2,5D-структуры. В качестве примера можно привести недавно представленный датчик для систем технического зрения, представляющий собой этажерку 3D ИС, в которой матрица КМОП-формирователей сигналов изображения размещена поверх кристалла ИС ИИ. Встроенных в данную 3D ИС возможностей ИИ и машинного обучения хватает для принятия решений в рамках не только автономных приборов, но и мобильных систем.

Развертывание технологии чиплетов будет зависеть от наличия масштабируемых, рентабельных решений. По сути чиплеты представляют собой одну из технологий корпусирования в рамках тенденции «Больше, чем Мур» – ​наряду с микро-TSV, микропаяными соединениями, оплавляемыми медными межсоединениями, органическими подложками высокой плотности и высокоплотным корпусированием с разветвлением (fan-out, FO). Специалисты нескольких известных полупроводниковых фирм полагают, что в течение ближайших 10 лет шаг межсоединений масштабируется более чем 100:1. Такой сдвиг парадигмы повлияет как на НРС, так и на мобильные приборы, при этом каждый сегмент будет оптимизирован для своих специфических потребностей. Например, чиплеты и TSV будут использоваться в обоих сегментах. Модули на подложках высокой плотности и высокоплотные FO-модули будут оптимизироваться для каждого сегмента. Как в НРС, так и в мобильном сегменте успешные решения корпусирования и модули будут обладать следующими характеристиками:

приемлемое соотношение издержек и преимуществ и масштабируемость;

отсутствие отрицательного воздействия на выход годных при производстве и на надежность при эксплуатации пользователем.

Развитие чиплетов окажет сильное влияние на весь процесс проектирования. Некоторые аспекты, такие как управление отдельными функциональными блоками и главное – ​проектирование интерфейсов между пластинами, между кристаллами и между модулями, требуют особых подходов. IDM и кремниевые заводы, обладающие собственными «строительными блоками» (СФ-блоки, библиотеки стандартных элементов и т. п.), включая интерфейсы для 3D-интеграции, в полной мере используют новые интеграционные тенденции и готовятся к ним. В то же время гетерогенная интеграция открывает возможности для индустрии корпусирования, где хорошо позиционированы поставщики OSAT-услуг.


Формирующиеся вертикали

Технологии, первоначально разработанные в рамках одного вертикально-организованного рынка или отрасли, теперь используются для расширения возможностей других. Например, такая рабочая нагрузка, как автономное принятие решений, эволюционировала в индустрии смартфонов, а теперь ведет к изменениям в секторе вычислительной техники. Получили широкое распространение автономные системы – ​такие как системы разблокировки смартфонов после распознавания лица владельца. Подобные системы все чаще применяются в автомобилях, промышленной электронике и т. п. Их разработчики, нуждаются в технологиях, соответствующих определенным стандартам безопасности, кроме того, такие технологии должны обладать масштабируемостью для решения широкого спектра нагрузок и обеспечения технологических возможностей, а также быть энергоэффективными и безопасными. Еще один очевидный фактор развития рынка полупроводниковых приборов – ​переход к автономному вождению, в значительной степени связанный с быстрыми темпами внедрения инноваций на рынке автомобильной электроники, а также недавно принятыми в ряде стран и регионов законодательными решениями о поэтапном переходе от транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания к электромобилям.

Все вышеперечисленное влияет на конкурентный ландшафт разработчиков ИС. Например, 10 лет назад было 20 поставщиков прикладных процессоров и цифровых модемов прямой передачи данных (без модуляции). Сейчас их осталось пять – ​это те, кто в наибольшей степени удовлетворяет ужесточающимся требованиям рынка – ​и появляются новые разработчики.

Такой вертикально-организованный рынок, как Интернет вещей, интересен тем, что представляет собой побочный продукт достижений в разных областях. Сейчас централизованная обработка данных в ЦОД (облачные вычисления) во все большей мере дополняется краевыми вычислениями, аналогичное происходит и в области собственно вычислительных средств. Создается вычислительный континуум, образованный «облаками», серверами, краевыми вычислениями и средствами краевых вычислений, а оптимальным средством объединения всех этих составляющих становится технология 5G.

Наконец, на вертикально-организованные рынки и отрасли влияет пандемия COVID‑19 и связанные с ней карантинные мероприятия, увеличившие потребность в системах с большей степенью распределенности. Эта тенденция существовала и ранее, но пандемия ускорила ее развитие.


Развитие сотрудничества

Одним из последствий появления новых горизонтально- и вертикально-организованных рынков и отраслей стало то, что в экосистеме полупроводниковой промышленности возникли новые тонкие слои. Круг проблем расширяется, что требует углубления сотрудничества между компаниями.

Поставщики СФ-блоков и инструментальных средств САПР всегда были тесно связаны с кремниевыми заводами. Примерно на уровне освоения проектных норм 10 нм или чуть ранее характер этого сотрудничества начал меняться. Ранее инновации в основном реализовывались на кремниевых заводах, а инструментальные средства САПР и СФ-блоки адаптировались к новой реальности. Сейчас же сотрудничество перерастает в более тесное партнерство. Организации, осуществляющие НИОКР, стали плотнее работать с кремниевыми заводами не только в области поддержки, но и в сфере взаимных инноваций, что позволяет ускорить их внедрение.

Есть и другие проблемы. Партнеры по разработкам уделяют все больше внимания вопросам, не относящимся к сфере полупроводниковых приборов, и электронных систем. Среди таких «внешних» факторов – ​механика, вычислительная гидродинамика, некоторые области фотоники. Более тесное объединение усилий специалистов в области СФ-блоков, САПР, корпусирования и экосистемы полупроводниковых приборов в целом становится необходимым, так как решения, принятые в одной области, могут оказывать воздействие на другие области. Более того, возникает необходимость объединять усилия прежде автономных групп внутри команды разработчиков. Подход, при котором сначала создавалась ИС, а потом – ​ПО под нее, теряет актуальность. Вместо этого рассматриваются возможности ПО и определяется, что необходимо сделать на системном уровне для полной реализации имеющихся возможностей.

Важной задачей становится взаимодействие инструментальных средств САПР и их поставщиков с остальными участниками экосистемы полупроводниковой промышленности и между собой. Растет роль методологии не только в улучшении показателей производительности и потребляемой мощности ИС – ​не менее важно то, что методология выходит за рамки SoC и начинает применяться к оптимизации системного уровня. В этот момент необходимо оценивать перспективы разрабатываемых ИС на различных вертикально-организованных рынках и в отраслях. Оценка должна производиться по различным параметрам, таким как управление режимом электропитания, производительностью ИС или SoC и даже их жизненным циклом. Методики системного уровня будут в большей степени ориентироваться на вертикально-организованные рынки и отрасли.

В целом новые горизонтально- и вертикально-организованные рынки и отрасли стимулируют инновационный процесс по всей экосистеме полупроводниковой промышленности, что порождает множество проблем и не меньшее число возможностей. Многим полупроводниковым фирмам будет необходимо решить, в каких областях они будут стремиться стать признанными специалистами и законодателями мод, а в каких – ​положиться на развитие партнерских отношений.


Bailey Brian. A Renaissance for Semiconductors. Semiconductor Engineering, October 29, 2020: https://semiengineering.com/a-renaissance-for-semiconductors/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

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