TSMC: liderazgo al estilo ninja 2020

TSMC 2020

Gran parte del crecimiento de TSMC proviene de procesos de fabricación avanzados que sirven para seguir la Ley de Moore: duplican la densidad de transistores por generación cada dos o tres años.

Esto les da a los diseñadores de chips de TSMC un mayor presupuesto de transistores, transistores más potentes y eficientes, lo que les permite aumentar la funcionalidad de sus chips.

Además, el costo de la unidad de cálculo mínima también tiende a disminuir

Asimismo, para Intel, aprovechar la Ley de Moore ha sido y sigue siendo vital para poder competir con los productos propuestos e ingresar a nuevos mercados como IoT, GPUs e IA.

Dado que la Ley de Moore es exponencial, incluso un paso adelante puede proporcionar una gran ventaja competitiva. 

Para los jugadores, por ejemplo, un aumento de 2x en el rendimiento de la GPU podría significar 60 cuadros por segundo en lugar de 30.

Intel perdió previamente la ventaja que previamente había establecido firmemente con la cadencia Tick-Tock debido a un retraso de tres años en la tecnología de 10 nm. 

Sin embargo, esos retrasos han quedado atrás, e Intel parece haber recuperado su objetivo de crecimiento de dos años.

No obstante, la fabricación de semiconductores es algo más que la métrica de densidad de transistores a la que los inversores e incluso los entusiastas tienden a prestar atención. Y en estos aspectos, el liderazgo bien conocido y establecido de TSMC no es tan inequívoco.

El argumento de este artículo es que el rendimiento y la potencia de los transistores es tan importante (como lo es la densidad). Los números nanométricos son solo marketing, en lugar de referirse a los tamaños reales de los transistores, y menos aún decir cuánta energía consume un transistor al cambiar o qué tan rápido puede cambiar.

Sin embargo, sobre todo, cuando se trata de métricas distintas de la densidad, es cierto que son algo menos claras que solo un número como la densidad de los transistores. 

También están fuertemente influenciados por decisiones de diseño de alto nivel. 

La innovación en transistores puede ilustrar este aspecto con algunos ejemplos históricos.

A finales de la década de 1990, el escalado de transistores, conocido como la ley de escalado de Robert Dennard (al encoger un transistor y aumentar la velocidad de reloj de un procesador, podemos aumentar fácilmente su rendimiento) alcanzó su límite y se convirtió en un preludio del final de las guerras de los relojes. 

Intel inventó una técnica conocida como silicio tensado con tecnología de 90 nm en 2001, antes de que otras cambiaran a 65 nm alrededor de 2004. 

Las mejoras adicionales de este método permitieron que los transistores continuaran mejorando la corriente de accionamiento (rendimiento) a lo largo del tiempo.

Además, no todos los transistores tienen la misma longitud. 

Por ejemplo, hay una capa aislante relativamente pequeña entre la puerta (que impulsa el transistor) y la fuente-drenaje (donde fluye la corriente). 

A principios de la década de 2000, esta capa se acercó al ancho medido en monocapas de átomos. 

La incapacidad de escalarlo aún más conduce a una disminución en el rendimiento. 

Su pequeño ancho también condujo a un aumento significativo de las fugas (debido a los efectos cuánticos). 

Para superar estos desafíos, Intel introdujo un conjunto de innovaciones en ciencia de materiales conocido como HKMG (high-k, metal gate) en 2007 con tolerancias de 45 nm, antes de que otros lo copiaran a 28 nm en 2011-2012. 

Esto redujo el crecimiento de la fuga a un nivel inaceptable y también permitió que el tamaño del elemento se escalara continuamente.

CMOS

Sin embargo, el histórico transistor CMOS, como se le conocía, ya estaba agotado porque las fugas seguían siendo un problema. 

Reducir la capacidad es inútil si tampoco puede reducir la potencia y aumentar continuamente las fugas a medida que los componentes se hacen más pequeños. Intel vuelve a liderar el camino en el desarrollo de Tri-Gate / FinFET. 

Era, por así decirlo, una nueva “arquitectura” del transistor, que permitía que la puerta cubriera más completamente el canal fuente-drenaje. 

Por tanto, aumentó el control de la corriente o, en otras palabras, redujo las fugas. 

Intel introdujo esta tecnología a 22 nm a principios de 2012, antes que otras a 16 nm a principios de 2015.

Cabe señalar que TSMC probablemente fue tomado por sorpresa por la implementación de FinFET de 22 nm líder en la industria de Intel. 

Como se explicó en la prensa, TSMC sacó su FinFET de su nodo de 14nm, lo conectó a su proceso de 20nm y llamó a este “nuevo” proceso de 16nm (y por lo tanto cambió el nombre de su 14nm a 10nm, 10 -nm a 7 nm, etc.)

Innovación en TSMC

Cada una de las tres principales innovaciones en la ciencia de los materiales enumeradas anteriormente (silicio tensado, HKMG, FinFET) proporcionó a Intel una gran ventaja tecnológica, ya que la corporación las presentó tres o cuatro años antes que otras empresas líderes. 

Sin embargo, solo están relacionados de manera vaga con la densidad: se inventaron para continuar el escalado histórico, pero más allá del escalado simple, también proporcionaron beneficios de potencia y rendimiento.

Además, no se trata solo de transistores. Igualmente importantes son las interconexiones que, como su nombre indica, conectan transistores.

La interconexión también es un cuello de botella en términos de potencia y rendimiento: los transistores individuales pueden cambiar a frecuencias de hasta decenas o cientos de GHz. 

También se está convirtiendo cada vez más en un obstáculo para el escalado.

En el nivel de 14 nm, Intel introdujo “espacios de aire” entre unas pocas capas seleccionadas. 

Se sabe que el aire es uno de los mejores aislantes que existen, por lo que realmente ha mejorado la potencia y el rendimiento. 

Intel sigue siendo la única fábrica con esta tecnología. 

Entonces, en este aspecto, Intel tiene actualmente una ventaja de seis años, y continúa.

Extreme Ultra Violet

Para seguir ampliando los transistores a EUV, la industria ha utilizado múltiples patrones: exponer la oblea no una, sino varias veces.

Hasta la fecha, Intel sigue siendo el único tejido que utiliza un patrón cuádruple en las capas de interconexión, aunque la compañía dijo que esta es una de las razones de sus problemas de rendimiento.

El primer SuperFin de la industria, el Super MIM de 10 nm de Intel, ofrece hasta cinco veces la capacidad (para el mismo espacio) que el resto de la industria. 

Esta es claramente una innovación tecnológica significativa.

En general, todas las innovaciones anteriores (excepto, quizás, FinFET) se pueden llamar innovaciones en el campo de la ciencia de los materiales. 

Desde la fecha de lanzamiento (e incluso desde el SuperFin de 10 nm), está claro que el liderazgo histórico y la innovación de Intel en la ciencia de los materiales no tienen parangón.

A medida que los transistores y el tamaño de los elementos entre los transistores continúan reduciéndose, la innovación de semiconductores sigue siendo necesaria, como lo ha sido en las últimas dos décadas.

FinFET se puede mejorar envolviendo completamente el obturador alrededor del canal. 

En un futuro próximo, la industria se moverá más allá de FinFET (3 etapas) y, en resumen, se moverá a universal (“4 puertas”) o GAA (Gate-All-Around).

Esto proporcionará los mismos beneficios que cambiar a FinFET, aunque el beneficio teórico no es tan grande como la planitud de FinFET.

La potencia y el rendimiento de los FinFET y los nanocables se pueden aumentar aún más cambiando el material del canal de Si a Ge o una combinación de elementos del Grupo III-V.

GAA

Además de pasar a GAA, otra mejora en el futuro podría ser reemplazar el material del canal (donde fluye la corriente) con materiales post-silicio.

Además de GAA, literalmente docenas de tecnologías posteriores a CMOS se encuentran en varias etapas de investigación. 

Espintrónica, nanotubos de carbono, túneles cuánticos 

En su investigación, Intel parece favorecer la espintrónica, TSMC – nanotubos de carbono, aunque hasta ahora no se está desarrollando nada realmente.

Intel posiblemente podría pasar a GAA o nanocables 5 nm antes que TSMC a 2 nm, lo que indica claramente que Intel puede seguir liderando el camino en la ciencia de los materiales y el aspecto innovador del transistor de la Ley de Moore, incluso si lo hace. ligeramente rezagado en densidad.

La mayoría de los circuitos integrados requieren órdenes de diferencia de magnitud en la corriente de control para encenderse o apagarse. 

Dado que solo se produce un aumento finito en la corriente de excitación al aumentar el voltaje, esto significa que hay un voltaje mínimo requerido para que el transistor se considere encendido, llamado voltaje umbral.

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Por lo tanto, la tasa (exponencial) de aumento de la corriente (con voltaje creciente) determina este voltaje umbral. 

Por lo tanto, las tecnologías que mejoran este indicador pueden reducir significativamente la tensión de funcionamiento. 

Y dado que la potencia / energía se escala cuadráticamente con el voltaje, esto puede conducir a importantes mejoras en el consumo de energía y la eficiencia energética de los chips (aunque quizás a expensas del máximo rendimiento). 

Esto se llama pendiente de corriente de subumbral (control). Se mide en mV / década: cuántos milivoltios se necesitan para aumentar la corriente de excitación en un factor de 10. 

Cuanto más bajo, mejor.

Para silicio / CMOS, el límite teórico es 60 mV / dec. 

Los transistores planares han alcanzado valores bajos de tres dígitos (~ 100-120). 

De hecho, los FinFET pudieron reducir este valor casi al límite, alrededor de 65 mV / dec. 

Esto demuestra una vez más el liderazgo de Intel con tres años de liderazgo en FinFET.

Ahora podemos resumir algunos de los beneficios reales de estas innovaciones.

En primer lugar, los procesadores Intel Core de 45 nm (nodo HKMG) ayudaron a la compañía a ampliar la brecha con AMD y recuperar participación de mercado y algo de liderazgo en el espacio de procesadores (durante las próximas décadas). 

Los procesadores de transistores planar de Intel han alcanzado alrededor de 4,6 GHz con tecnología Sandy Bridge de 32 nm. 

Dado que los FinFET se apagaron en su mayoría, con menos énfasis en el rendimiento (inicialmente), sus sucesores de Ivy Bridge de 22 nm redujeron la velocidad del reloj.

Sin embargo, los FinFET mejorados (más altos, más rectangulares), los espacios de aire y posiblemente otras técnicas permitieron que Skylake de 14nm eventualmente superara a los transistores planos en rendimiento, con 14nm ++ alcanzando hasta 5.3GHz (un solo núcleo ) en productos comerciales. 

El procesador Ice Lake (10nm) alcanzó los 3.9GHz en una configuración de 15W y 4.1GHz en 28W. 

Tiger Lake (10nm SuperFin) está sintonizado para aumentar esta frecuencia a ~ 4.8GHz. 

Esto muestra que las mejoras pueden continuar después de la implementación del proceso y conducir a mejoras significativas (incluso si en este caso es simple volver a la paridad con la generación anterior).

Al mismo tiempo, Nvidia y AMD abandonaron la tecnología de proceso de 20 nm debido a la falta de FinFET (y una biblioteca de diseño centrada en HP). 

Además, la tecnología de proceso de 20 nm no redujo el costo del transistor. 

Al igual que con la fuente de alimentación, no puede implementar más transistores, utilizando la ley de Moore, a menos que el costo del transistor disminuya.

Dados los retrasos con la tecnología de 7 nm, Intel puede incluso continuar desarrollando mejoras en su tecnología de 10 nm, ya que ahora tendrá que usarla durante más tiempo del planeado. 

Intel afirmó que esto le permitiría dar otro paso hacia la mejora de la Ley de Moore (además de la densidad) dentro de los 10 nm, como ya lo demostró el SuperFin de 10 nm. 

Con este fin, quizás algunas de las innovaciones de la ciencia de los materiales programadas para 7 nm (+) (+) podrían introducirse en el próximo 10 nm ++ (+).

Por lo tanto, se puede concluir que la tecnología de transistores no se limita a los tamaños de los elementos y los valores de densidad. 

Intel ha tenido una ventaja histórica y significativa de tres años en innovación de vanguardia en ciencia de materiales desde principios de la década de 2000, como lo demuestra un trío importante: silicio tensado, HKMG y FinFET. 

Otras innovaciones incluyen espacios de aire y cobalto en la interconexión (que TSMC no tiene). 

Si bien esto no afecta directamente la densidad de los transistores, también es un proceso de fabricación y, por lo tanto, debe tenerse en cuenta al comparar y discutir el liderazgo del proceso.

De lo anterior se deduce que un proceso es mucho más que su densidad. 

No todos los alimentos generalmente requieren la mayor densidad. Si bien en general los nuevos ensamblajes tienen una serie de ventajas, que incluyen, además de la densidad, también un menor costo, menos energía y un mayor rendimiento, algunas innovaciones importantes, como HKMG y FinFET, han llevado a una disminución en el tamaño del paso de mejoras en algunos aspectos, como fuga, incluso si no es tan fácil de medir o predecir como la densidad.

En el futuro, aunque Intel no será el primero en cambiarse a GAA (ni Samsung), seguirá estando por delante de TSMC (según los últimos cronogramas aprobados de la hoja de ruta), y el conocimiento histórico de Intel en ciencia de materiales podría permitirle proporcionar una implementación mucho mejor. esta tecnología. 

Sin embargo, es cierto que no hay certeza de que Intel seguirá siendo un líder definitivo aquí, como lo hizo una vez con HKMG y FinFET, aunque el SuperMIM 10nm SuperFin muestra que es probable que siga siendo uno de los más fuertes. 

 

 

Por Marcelo Lozano – General Publisher IT Connect Latam

 

 

 

 

 

 

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