Современный уровень развития технологических процессов поставщиков логики и услуг кремниевых заводов связан с появлением значительного числа вариаций базовых процессов. Такой подход призван удовлетворять потребителей с разными запросами (низкая и ультранизкая потребляемая мощность, высокая производительность, малая площадь кристалла и т. п.). Кроме того, если одни фирмы продолжают масштабировать свои процессы (Intel, TSMC, Samsung), другие предпочитают глубокую модернизацию уже имеющихся (GlobalFoundries) с целью снижения издержек.

Дальнейшее развитие микроэлектроники зависит от способности изготовителей ИС продолжать наращивать производительность и функциональность своих приборов, оставаясь в рамках приемлемых для заказчиков цен. По мере того как основные КМОП-процессы достигают своих теоретических, практических и экономических пределов, снижение удельной стоимости ИС (на функцию или по производительности) становится особенно важной и сложной задачей. «Полный анализ и прогноз развития микроэлектроники» (McClean Report – ​A Complete Analysis and Forecast of the Integrated Circuit Industry), выпущенный в январе 2019 г. корпорацией IC Insights (г. Скотсдейл, шт. Аризона, США), показывает, что разнообразие предлагаемых фирмами-изготовителями технологических процессов, ориентированных на логические приборы, сегодня больше, чем в любой предшествующий период (см. рисунок). При этом регулярно появляются расширенные вариации базового процесса.

Источник: данные компаний, материалы конференций, IC Insights

Маршрутная карта развития технологических процессов производителей логики и кремниевых заводов (поточно-массовое производство)

Примечание 1. Понятия «поколение технологического процесса» и «начало массового производства» у различных производителей могут отличаться из маркетинговых соображений, поэтому точки перехода на новую технологию указаны ориентировочно.

Примечание 2. Знаками «+» и «++» после минимальных топологических норм технологического процесса обозначены расширенные версии базового процесса. Как правило, первые («+») расширенные версии предлагают экономию занимаемого на плате места и сниженную потребляемую мощность. Они в основном ориентированы на мобильную технику.

Вторые расширенные версии («++») предлагают как высокую производительность, так и малую потребляемую мощность и ориентированы на ИС для старших (наиболее производительных) моделей различных конечных электронных систем.

Intel. Кодовое наименование процессоров девятого поколения корпорации, представленных в конце 2018 г., – ​Coffee Lake-S (иногда Coffee Lake Refresh). По заявлению специалистов Intel, эти процессоры представляют собой совершенно новое поколение, в то время как многие отраслевые специалисты рассматривают их как усовершенствованные изделия восьмого поколения. Пока Intel опубликовала слишком мало информации об этих процессорах, но, по всей видимости, они изготовлены по расширенной версии процесса 14 нм++, который можно рассматривать как процесс 14 нм+++.

В 2019 г. планируется наращивать крупносерийное производство по 10-нм процессу нового семейства процессоров Sunny Cove, представленного в декабре 2018 г. Похоже, что архитектура Sunny Cove фактически заняла место архитектуры Cannon Lake (10-нм процесс), которую ранее предполагалось реализовывать в 2019 г. Ожидается, что в 2020 г. в массово-поточном производстве начнет осваиваться технологический процесс 10 нм+.

TSMC. Этот крупнейший в мире кремниевый завод начал массовое производство ИС по 10-нм процессу в конце 2016 г., но быстро перешел на 7-нм процесс. Специалисты корпорации считают, что 7-нм технологическое поколение будет обладать таким же длительным циклом использования в производстве, как 28-нм и 16-нм процессы.

Фирменный процесс с использованием 5-нм топологий находится в стадии разработки. Опытное производство запланировано на первое полугодие 2019 г., а массово-поточное – ​на 2020 г. В данном процессе будет применяться литография предельной УФ-области спектра (EUV, длина волны излучения 13,5 нм). Однако первым процессом, в котором будет использоваться EUV-литография, станет усовершенствованная версия 7-нм процесса – ​7 нм+ (со II кв. 2019 г.). В этой версии применение EUV будет ограничено четырьмя критическими слоями. В рамках 5-нм процесса EUV-литография будет использоваться шире – ​с ее помощью будет формироваться до 14 слоев.

Samsung. В начале 2018 г. корпорация Samsung начала массово-поточное производство ИС по второму поколению 10-нм процесса (10LPP). В конце 2018 г. Samsung представила третье поколение 10-нм процесса – ​10LPU (версия со сверхмалой потребляемой мощностью), обеспечивающее дальнейшее повышение производительности. На уровне 10-нм технологий Samsung использует методику тройного формирования рисунка (triple patterning). В отличие от TSMC, корпорация предполагает, что ее 10‑нм семейство процессов (включая 8-нм производные процессы) будет обладать длительным сроком использования.

Опытное производство ИС по 7-нм технологии корпорация Samsung начала в октябре 2018 г. При этом был пропущен этап иммерсионной литографии и осуществлен переход к непосредственному применению EUV-литографии, которая используется для формирования 8–10 слоев.

GlobalFoundries. Корпорация рассматривает свой 22-нм FD-SOI (полностью обедненный «кремний-на-изоляторе», 22FDХ) процесс как дополняющий и расширяющий возможности фирменной 14‑нм FinFET-технологии. Утверждается, что платформа 22FDX обеспечивает производительность, очень близкую к производительности 14-нм FinFET-процесса, но при этом производственные издержки остаются на уровне 28-нм технологии.

В августе 2018 г. GlobalFoundries существенно поменяла стратегию развития – ​остановила разработку 7-нм процесса из-за огромных затрат на развертывание производства по данной технологии, а также из-за малого числа клиентов, планирующих ее использовать. Усилия корпорации сосредоточены на развитии и совершенствовании 14-нм и 12-нм FinFET-процессов и фирменной FD-SOI-технологии.

* * *

В течение последних 50 лет микроэлектроника достигла значительных успехов в повышении производительности как производства, так и собственно ИС. Хотя отрасль уже преодолела многие стоявшие перед ней проблемы, по мере дальнейшего развития появляются новые, все более сложные. Несмотря на это проектировщики и изготовители микросхем в целях повышения функциональности приборов разрабатывают решения, являющиеся скорее революционными, чем эволюционными.

Advances in Logic IC Process Technology Move Forward. IC Insights, Research Bullettin, February 21, 2019: www.icinsights.com.