Дорожные карты основных технологических направлений: где выигрыш для разработчика, а где для инвестора?

13 июля 2016
Точка зрения "Байкал Электроникс"

Разработка микросхем новых поколений требует согласованных усилий в широком круге отраслей: в технологических процессах полупроводникового производства, в средствах автоматизированного проектирования и верификации интегральных схем, в собственно разработке  новых микросхем, в средствах диагностики и тестирования. Чтобы игроки на международном рынке могли планировать свои усилия, группа экспертов, представляющая ведущих игроков отрасли, составила так называемый Международный план по развитию полупроводниковой технологии (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS). Согласно этому плану, в 2016—2017 году должен стать широко доступен технологический процесс 10 нанометров, а в 2018—2019 уже 7 нанометров. Уже сегодня фабрика TSMC предлагает услуги по изготовлению микросхем по техпроцессу 16 нм. Крупнейшие производители чипов со своими собственными фабриками, например, Intel и Samsung, сегодня используют 14 нм.
Каковы же преимущества и недостатки миниатюризации, и всем ли надо следовать дорожной карте?
 
Использование более мелкой топологии позволяет снизить рабочее напряжение блоков микросхемы. Это очень важно с точки зрения выделяемого тепла, так как грубая оценка мощности, потребляемой электрической цепью, это P=C*f*V2, где C – это эквивалентная ёмкость, f – рабочая частота, а V – рабочее напряжение. В силу квадратичной зависимости снижение напряжения на 30% обещает двухкратное снижение рассеиваемого тепла, это очень существенный выигрыш.
 
Выигрыш не только в снижении рабочего напряжения. Принципиальным является применение трехмерных затворов (FinFET), что позволило кардинально уменьшить статические токи. Именно эта проблема не давала двигаться дальше по пути уменьшения проектных норм. Остальные улучшения – эволюционные. Снижение размеров позволило повысить плотность, а также дало уменьшение емкостей, что позволило повысить скорость и снизить динамическое потребление. 
Вот цитата из отчета TSMC: «TSMC's 16FF+ (FinFET Plus) technology can provide above 65 percent higher speed, around 2 times the density, or 70 percent less power than its 28HPM technology». (источникhttp://www.tsmc.com/english/dedicatedFoundry/technology/16nm.htm)
 
Этот выигрыш, однако, имеет свою цену. В первую очередь, можно упомянуть следующие минусы:
•          Повышенная стоимость разработки. Нельзя просто линейно масштабировать старый проект, при процессе 16 нм и ниже требуются транзисторы FinFET и появляются другие ограничения. Средства разработки и верификации, поддерживающие такие топологии, были выпущены недавно, они в них больше дефектов и более дорогая лицензия. Дизайн микросхемы должен компенсировать повышенный ток утечки во временно неактивных блоках.
•          Серийное производство в пересчёте на одну кремниевую пластину дороже. Травление кремниевой подложки по новым техпроцессам занимает больше времени, так требует большего количества шагов: литографическая маска накладывается на один и тот же участок кристалла несколько раз.
•          Процент брака выше, так как технология разработки и производства сложнее и менее отлажена.
•          Получаемые микросхемы менее устойчивы к воздействию внешних вредных факторов, так как оперируют меньшими зарядами и токами.
Несмотря на перечисленные выше недостатки, переход на техпроцесс 16 нм и ниже оказывается выгодным для микросхем с высоким тиражом.
 
Прежде всего, получаемая удельная производительность на ватт принципиально недостижима другими способами. Поучительно сравнить два процессора Samsung Exynos, 5433 (20 нм) и 7420 (14 нм). Оба содержат одинаковые ядра, ARM Cortex-A57. При этом на частоте 1900 МГц энергопотребление составляет 1771 и 957 мВт соответственно, что означает выигрыш 46% (согласно измерениям интернет-журнала AnandTech, см. источник http://www.anandtech.com/show/9330/exynos-7420-deep-dive/5).
 
Снижение площади кристалла даёт более высокий выход годных чипов с одной пластины даже при более высоком проценте брака. В упомянутом выше примере площадь кристалла сократилась со 113 до 78 квадратных миллиметров (на 31%), но при этом поместилось 8 более мощных графических ускорителей вместо прежних 6. По сообщениям Intel, переход с техпроцесса 22 нм на 14 нм привёл к существенному снижению удельной стоимости ($/транзистор, см.http://www.intel.it/content/dam/www/public/us/en/documents/technology-briefs/bohr-14nm-idf-2014-brief.pdf ).
 
Окупаемость затрат на разработку критически зависит от тиража проданных процессоров. На рынке с высокой конкуренцией даже небольшое преимущество в производительности может отделять успех от провала. Тогда использование самого современного техпроцесса повышает окупаемость вложений в разработку.
 
Подводя итоги, следовать дорожной карте имеет смысл, когда разработчик
•          планирует большие тиражи (сотни тысяч и выше)
•          находится в условиях высокой конкуренции
•          не предполагает экстремальных условий эксплуатации
•          должен соответствовать мировому уровню по критериям производительность/энергопотребление и производительность/цена. 
 

Оставить комментарий