La legge di Moore in transizione

Se avessimo mai avuto bisogno di conferma che il passaggio al passaggio successivo nella Legge di Moore è diventato più difficile, l'annuncio della scorsa settimana di Intel che i suoi chip da 10 nm sarebbero stati ritardati fino a quando la seconda metà del 2017 sembra aver dimostrato il caso. Tuttavia, i recenti annunci di una serie di altre società alla conferenza Semicon West della scorsa settimana indicano che le notizie sulla morte della Legge sono state notevolmente esagerate.

Il CEO di Intel Brian Krzanich ha annunciato il ritardo di 10 nm durante la chiamata degli utili del secondo trimestre dell'azienda. I chip erano stati precedentemente previsti verso la fine del prossimo anno o all'inizio del 2017. Nel frattempo, la seconda linea da 14 nm dell'azienda - il processore Core di sesta generazione noto come Skylake - è stata qualificata e dovrebbe iniziare la spedizione in questo trimestre (dopo l'introduzione del primo Prodotti a 14 nm, noti come Broadwell, in un'unica versione alla fine dello scorso anno e, più in generale, all'inizio di quest'anno). Secondo Krzanich, ci sarà un'altra famiglia di chip da 14 nm conosciuta come Kaby Lake, costruita usando l'architettura Skylake con alcuni miglioramenti delle prestazioni, prevista nella seconda metà del 2016, mentre il primo prodotto da 10 nm, noto come Cannonlake, è ora pronto per arrivare nel seconda metà del 2017.

Ricordiamo che la transizione da 22nm a 14nm è stata ritardata in modo simile, con Krzanich che cita la difficoltà della litografia e il numero di passaggi multi-pattern necessari quando ci si sposta su ciascun nuovo nodo come causa del ritardo. Ha osservato che Intel presume che i chip da 10 nm non saranno prodotti con la tecnologia della litografia a ultravioletti estremi (EUV), il che rende questo il più lungo periodo di tempo nella produzione di chip senza passare a una forma più avanzata di litografia.

Complessivamente, ha affermato, Intel ora suppone che ci vorranno 2, 5 anni tra i nodi di processo (si noti che Intel ha distribuito i primi chip "Ivy Bridge" a 22 nm all'inizio del 2012).

Krzanich ha continuato affermando che, mentre Intel passa da 10nm a 7nm, "cercheranno sempre di tornare a due anni" tra i nodi. E ha detto che Intel monitorerà la maturità di EUV, i cambiamenti nella scienza dei materiali e la complessità del prodotto quando prenderà la sua decisione sui tempi.

TSMC ribadisce 10nm all'inizio del 2017

Se tutto ciò suggerisce che la Legge di Moore stia rallentando, le notizie dalle fonderie di semiconduttori, che producono chip per società di semiconduttori senza fabbisogno come Qualcomm, MediaTek e Nvidia, indicano che le cose stanno accelerando. Almeno stanno colmando un po 'il divario con Intel.

Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp. (TSMC), la più grande fonderia del mondo, ha dichiarato di essere sulla buona strada per la spedizione di 10 nm nel primo trimestre del 2017. TSMC ha detto che ha iniziato la produzione in volume dei suoi primi processori FinFET a 16 nm nel secondo trimestre, con le spedizioni che iniziano questo mese. (Ciò significa che le spedizioni ai clienti di TSMC, non agli utenti finali; non abbiamo ancora visto un chip simile spedito nel prodotto finale, anche se ci aspettiamo che nei prossimi mesi.)

Il co-CEO di TSMC Mark Liu ha dichiarato che il suo processo a 10 nm è in linea con la spedizione dei prodotti reali all'inizio del 2017. Ha affermato che le parti a 10 nm saranno più veloci del 15% alla stessa potenza totale o utilizzeranno il 35% in meno di energia alla stessa velocità, con più di raddoppiare la densità di gate del processo a 16 nm.

Se tutto questo dovesse accadere, i prodotti fabbricati con il processo a 10 nm di TSMC potrebbero arrivare sul mercato circa un quarto circa prima di quelli realizzati con il processo a 10 nm di Intel, il che sarebbe un grande cambiamento nel settore. Si noti, tuttavia, che TSMC ha annunciato ritardi in passato: poco più di un anno fa, ha affermato che si aspettava che la produzione di rischio di 10 nm inizi alla fine del 2015, e ha indicato obiettivi di velocità e potenza più aggressivi.

Nel frattempo, l'altra grande fonderia di chip all'avanguardia, Samsung, ha dichiarato che inizierà la produzione di massa di chip da 10 nm entro la fine del 2016. Samsung ha lanciato il suo primo prodotto FinFET a 14 nm, Exynos 7 Octa all'inizio di quest'anno nei suoi telefoni Galaxy S6. Questo è stato solo leggermente dopo le prime spedizioni di volumi a 14 nm di Intel (sebbene i due processi siano un po 'diversi), un grande cambiamento rispetto all'epoca in cui Intel ha avuto un lungo vantaggio nella tecnologia di processo.

Samsung ha anche concesso in licenza la sua tecnologia a 14 nm a GlobalFoundries, che ha dichiarato che sarà in aumento di volume della tecnologia a 14 nm entro la fine dell'anno. I clienti di GlobalFoundries includono AMD, che afferma di voler implementare la tecnologia FinFET a 14 nm in vari prodotti nel corso del 2016 e ha recentemente acquisito il business di produzione di chip di IBM.

GlobalFoundries offre FD-SOI a 22 nm

GlobalFoundries prevede inoltre di offrire una soluzione diversa chiamata FD-SOI a 22 nm (silicio su isolante completamente impoverito), annunciata la scorsa settimana. Questo processo utilizza transistor planari convenzionali, piuttosto che 3D FinFET, ma qui sono fabbricati su un diverso tipo di wafer noto come SOI. GlobalFoundries afferma che con questo approccio è in grado di produrre chip che offrono prestazioni migliori e una potenza inferiore rispetto al processo planare a 28 nm comunemente usato a un costo comparabile (e un costo molto più basso rispetto ai FinFET a 14 nm, che richiedono molti più passaggi utilizzando la litografia ad immersione a 193 nm). GlobalFoundries afferma che il processo si traduce in una dimensione degli stampi inferiore del 20% rispetto ai 28 nm.

Mentre il fab afferma che FinFET offre maggiori prestazioni e sono necessarie in alcune applicazioni, ritiene che il nuovo processo sia adatto anche ai principali mercati di telefonia mobile, Internet of Things, RF e networking. Rispetto ai prodotti FinFET a 14 nm, GlobalFoundries afferma che il processo richiede quasi il 50% in meno di strati litografici ad immersione, il che ridurrà i costi.

Anche Samsung sta pianificando un'offerta FD-SOI, sebbene a 28 nm.

Più a valle, IBM e i suoi partner hanno recentemente annunciato di aver prodotto chip di test a 7 nm in un laboratorio, anche se ovviamente c'è una lunga strada tra il laboratorio e la produzione di volumi.

Semicon West mostra nuovi strumenti

Il futuro della produzione di chip è stato anche un argomento alla conferenza Semicon West della scorsa settimana, in cui i produttori di apparecchiature per la produzione di semiconduttori hanno discusso dei progressi che hanno fatto sulla nuova tecnologia.

Sembra esserci un consenso generale sulla roadmap della logica sebbene i tempi non siano chiari. Il prossimo passo sarà probabilmente uno spostamento verso materiali alternativi, in particolare nuovi materiali di canale (come quelli utilizzati da IBM nel suo chip di test a 7 nm), come silicio germanio (SiGE) e indio gallio arsenuro (InGaAs). L'idea è che tali materiali estenderanno l'uso dei progetti FinFET per un'altra coppia di generazioni, e quindi l'industria potrebbe spostarsi su una nuova struttura di transistor, forse su transistor gate-around a volte chiamati nanofili, da qualche parte attorno al nodo 5nm.

In litografia, ASML ha dichiarato che il suo obiettivo per le apparecchiature EUV è di 1.000 wafer al giorno con una disponibilità del 50%, e anche che è ancora in programma avere EUV pronto per la produzione a 7 nm, sebbene sarà usato solo per forse da 5 a 10 strati critici e la litografia a 193 nm continuerà a svolgere gran parte del lavoro. Avendo precedentemente annunciato che un cliente americano senza nome - presunto Intel da quasi tutti gli osservatori - aveva accettato di acquistare 15 strumenti litografici EUV, ASML ha confermato che Intel ha effettivamente acquistato sei sistemi, due dei quali saranno consegnati quest'anno.

Mentre la maggior parte della discussione sulla Legge di Moore è stata incentrata sui chip logici, va notato che anche i chip di memoria sono in transizione. I restringimenti della DRAM hanno subito un drastico rallentamento. La maggior parte dei produttori è ora in fase di transizione alla DRAM a 20 nm con forse una o due generazioni in più a disposizione. Eventuali ulteriori progressi in termini di densità o costi dovranno quindi derivare da capacità produttiva aggiuntiva, dimensioni dei wafer più grandi (450 mm), stacking 3D (Hybrid Memory Cubes) o forse un nuovo tipo di memoria come MRAM.

Sulla memoria flash NAND, la situazione è leggermente diversa. La memoria flash NAND è già inferiore a 20 nm e, come la DRAM, sta esaurendo lo spazio per ridimensionarsi molto più in là, ma in questo caso esiste una chiara alternativa. L'argomento principale è la NAND 3D, che utilizza più strati di celle di memoria fabbricati con pellicole molto sottili e uniformi. Le dimensioni delle singole celle non devono più essere così piccole (si riducono a circa 40-50 nm), ma la densità continua a ridimensionarsi, potenzialmente fino a 1 terabit su un chip, aggiungendo più livelli. La litografia è molto più semplice, ma richiede strumenti più avanzati a livello atomico per depositare e incidere questi array di memoria.

Samsung è già in produzione di volume e la sua NAND 3D di seconda generazione con 32 strati può contenere fino a 128 Gb (16 GB) su un singolo chip. Questa settimana Samsung ha annunciato una nuova generazione di SSD aziendali da 6 Gbps in grado di archiviare fino a 3, 86 TB di dati in un fattore di forma da 2, 5 pollici, utilizzando questi chip da 128 Gb. Sia l'alleanza Micron / Intel che SK Hynix dovrebbero iniziare la produzione di massa di 3D NAND entro la fine dell'anno. Micron e Intel sostengono che la loro tecnologia air gap consentirà loro di produrre chip più densi, a partire da 256 Gb e 384 Gb, mentre SK Hynix prevede di utilizzare 36 strati, seguiti da 48 strati l'anno prossimo, per ridimensionare la densità. Toshiba e SanDisk seguiranno l'anno prossimo. Alla Semicon West, le aziende produttrici di apparecchiature hanno affermato che la transizione alla NAND 3D sta avvenendo più rapidamente del previsto e, secondo alcune stime, entro la fine di quest'anno il 15 percento della capacità mondiale sarà ridotta.