ПО ЗАРУБЕЖНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ - Экспресс-информация - ЦНИИ ...
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г.
Экспресс-информация
ПО ЗАРУБЕЖНОЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ
Освоение перспективных
технологических процессов
и рентабельность
производства
Сектор пластин малого
диаметра: состояние
и перспективы
Материалы ISSCC‑2021:
SoC и ЦОС‑процессоры
Проблема старения,
моделирование
и проектирование ИС
ISSN 2500-3844
СЕГОДНЯ В ВЫПУСКЕ
1 Компетентное мнение Издатель
АО «ЦНИИ «Электроника»
Главный редактор
3 Освоение перспективных Алена Фомина, д. э. н., доц.
технологических процессов Авторы материалов
и рентабельность производства Михаил Макушин,
Анастасия Хомчик,
Иван Черепанов
8 Сектор пластин малого диаметра:
Над выпуском работали
состояние и перспективы Григорий Арифулин,
Людмила Железнова,
18 Материалы ISSCC‑2021: SoC Анастасия Никитина
и ЦОС‑процессоры Реклама
publish@instel.ru
23 Проблема старения, моделирование +7 (495) 940-65-24
и проектирование ИС Адрес редакции
127299, г. Москва,
30 Развитие системы управления
ул. Космонавта Волкова, д. 12
+7 (495) 940-65-24
дорожным движением www.instel.ru
publish@instel.ru
Экспресс-информация
33 Прогноз индустрии MEMS на 2021 год по зарубежной электронной
технике издается с 1971 г.,
в электронной версии – с 2003 г.
35 Спектроскопия становится важной
частью фармацевтического Издание зарегистрировано
в Федеральной
производства службе по надзору
за соблюдением
41 Корпорация Apple включается в гонку законодательства в сфере
массовых коммуникаций
по разработке технологий 6G и охране культурного наследия
(свидетельство ПИ № 77–13626
45 Quanergy оптимизирует лидар от 20 сентября 2002 г.).
с оптической фазированной антенной
решеткой
50 Глоссарий
Компетентное мнение С конца 1970‑х гг. ХХ в. полупроводниковая рая также использует и модель кремниевого отрасль развивалась в соответствии с т. н. завода. При этом проектировать ИС с мини- законом Мура (Moore’s law) – наблюдением, мальными проектными нормами способны сформулированным Гордоном Муром, одним и крупные корпорации (в т. ч. не относящие- из основателей корпорации Intel: число тран- ся к полупроводниковой промышленности), зисторов на кристалле каждые 1,5–2 года уд- и стартапы. Таким образом, одним из основ- ваивается без увеличения удельной стоимости ных конкурентных преимуществ становится функций для конечного потребителя. Одна- гарантированный доступ к требующимся про- ко с достижением технологического уровня изводственным мощностям. 22/20 нм планарная технология подошла к сво- Подходы на основе использования им физическим пределам. Развитие отрасли 2,5/3D-архитектур теоретически доступны лю- двинулось по двум направлениям: «Больше бым фирмам, в том числе и тем, что продол- Мура» (More Moore) и «Больше, чем Мур» (More жают следовать концепции «Больше Мура». than Moore). Первая концепция предполагает Для них это и страховка, и расширение кли- обеспечение дальнейшего действия закона ентской базы. Что касается концепции «Боль- Мура за счет новых материалов и приборных ше, чем Мур», то для нее характерен перенос архитектур. Вторая помимо работы с перспек- критичности с начальных этапов обработки тивными материалами и структурами подразу пластин на операции сборки и корпусирова- мевает достижение улучшенных результатов ния. Кроме того, она во многом ориентирова- за счет использования 2,5/3D-архитектур, по- на на обработку пластин меньших диаметров, зволяющих существенно наращивать функци- в основном 150 мм и менее. Доля кремниевых ональность, сокращать занимаемое простран- пластин в данном секторе постепенно сни- ство и потребляемую мощность. Дальнейшее жается, а доля пластин с использованием та- масштабирование топологических элементов ких материалов и структур, как GaAs, GaN, InP, привело к астрономическому росту стоимости SiC, ниобат лития – титанат лития, SOI/КНИ, новых разработок, технологических процес- «пьезоэлектрик-на-изоляторе», наоборот, уве- сов и заводов по обработке пластин. Напри- личивается, пусть и неодинаковыми темпами. мер, если средняя стоимость проектирова- Надо отметить, что на уровне 5 нм и менее ния 28‑нм планарных приборов составляла ни одна из существующих технологий (FinFET- 30 млн, то для 16/14‑нм ИС на основе FinFET- транзисторы, транзисторы с круговым затво- транзисторов это уже более 80 млн, а для 7‑нм ром – GAA, нанолистовые GAA-транзисторы FinFET ИС – порядка 270–300 млн долл. Резко и т. д.) не может удовлетворить все потребно- уменьшилось число фирм, способных (и тех- сти разработчиков, проектировщиков и про- нологически, и финансово) принимать участие изводителей ИС. Так что в ближайшее время в этой гонке, причем узким местом становятся в промышленности будет использоваться именно производственные мощности. Сейчас большое число технологических альтерна- содержать оборудование для производства тив, особенно в области пластин диаметром ИС по 7‑нм и 5‑нм техпроцессам могут по- 150 мм и менее. зволить себе только две корпорации – круп- нейший в мире «чистый» кремниевый завод Михаил Макушин, (foundry)1 TSMC (Тайвань) и один из крупней- главный специалист отдела научно- ших вертикально-интегрированных поставщи- технического планирования РЭП ков ИС (IDM)2 Samsung (Южная Корея), кото- Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г. 1
Микроэлектроника
Освоение перспективных
технологических процессов
и рентабельность
производства
Ключевые слова: масштабирование, проектные нормы, производственные
мощности, рентабельность, технологический процесс.
Дальнейшее освоение новейших технологических процессов и масштабирование ИС требуют
огромных средств. Не все фирмы способны позволить себе это. Кроме того, существует тесная
связь между обладанием новейшими технологическими процессами и рентабельностью.
Рыночный успех и расширение использо- TSMC (крупнейший в мире кремниевый завод)
вания ИС в значительной степени зависели и Samsung (один из крупнейших в мире IDM, ис-
и зависят от способности производителей ми- пользующий также бизнес-модель кремниево-
кросхем продолжать наращивать их произво- го завода). Корпорация Intel, многие годы быв-
дительность и функциональность по приемле- шая лидером в области разработки и освоения
мым ценам. Снижение удельной стоимости ИС новейших технологических процессов, отстает
(в пересчете на функцию или производитель- от них – переход на 7‑нм проектные нормы
ность) неизбежно связано с арсеналом техно- с использованием EUV4‑литографии намечен
логий и методов обработки пластин, расширяю- на 2022 г. (рис. 1) [1].
щимся по мере того, как массово используемые Трудности, с которыми корпорация Intel
КМОП-процессы достигают своих теоретиче- столкнулась при освоении 10‑нм процессов,
ских, практических и экономических пределов. привели к отставанию от Samsung и TSMC.
В январе 2021 г. исследовательская корпора- Сейчас даже стоит вопрос, не превратится ли
ция IC Insights представила очередное исследо- Intel в fabless-фирму. По мнению ряда специ-
вание, в котором оценила освоение ведущими алистов, долгосрочная стратегия корпорации
производителями ИС перспективных техноло- будет гибридной:
гий и рентабельность их производства. Извест-
но, что многие fabless3‑фирмы уже способны • по многим изделиям Intel будет вести об-
проектировать ИС (включая высокопроизводи- работку пластин на собственных произ-
тельные микропроцессоры, маломощные при- водственных мощностях по собственным
кладные процессоры и другие перспективные технологическим процессам;
логические устройства) с использованием 7‑нм • отношения с кремниевыми заводами бу-
и 5‑нм технологических процессов. Однако про- дут поддерживаться по тем изделиям, где
изводить их в настоящее время могут только это будет выгодно [2].
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г. 3
Микроэлектроника zet.instel.ru
Предполагается, что в 2022 г. Intel будет за- жения Intel и сохранить компанию в качестве
казывать TSMC производство своих централь- крупнейшего IDM. Закон предусматривает пре-
ных процессоров по 4‑нм процессу (возможно доставление американским полупроводнико-
размещение аналогичных заказов на мощ- вым фирмам, создающим производственные
ностях foundry-отделения Samsung), для чего мощности на территории США, инвестицион-
TSMC построит отдельный завод по обработке ного налогового вычета, субсидий на созда-
300‑мм пластин [3]. В целом Intel уже предпри- ние этих мощностей, налоговых скидок и гран-
нимает шаги по избавлению от собственных тов на проведение НИОКР [5, 6].
производственных мощностей. Так, корпора- Как известно, корпорация Samsung стала
ция продает свое подразделение по производ- единственным IDM, не только оказывающим
ству флэш-памяти NAND-типа и твердотель- услуги кремниевого завода на свободных
ных накопителей (SSD) южнокорейской фирме мощностях, но и создавшим для этого спе-
SK Hynix за 9 млрд долл. [4]. циализированное автономное подразделе-
Правда, принятие в рамках оборонного ние – Samsung Foundry. Сейчас число линий
бюджета на 2021 г. «Закона о стимулирова- Samsung в Южной Корее и США, оказываю-
нии разработки и производства полупро- щих услуги кремниевого завода на пластинах
водниковых приборов в Америке» (Creating диаметром 200 и 300 мм, достигло шести. При
Helpful Incentives to Produce Semiconductors for этом стоит отметить, что если ранее к авто-
America Act, CHIPS for America Act) может су- номному foundry-подразделению (на момент
щественно способствовать улучшению поло- его формирования) Samsung относились толь-
Ограниченное производство
EUV-литография
EUV-литография FD-SOI-транзисторы**
GAA
EUV-литография
EUV-литография
Источник: IC Insights, данные компаний
FD-SOI-
FD-SOI- транзисторы** FinFET-транзисторы* FD-SOI- транзисторы**
транзисторы** FinFET-транзисторы*
FinFET-транзисторы* FinFET-транзисторы* FinFET-транзисторы*
FinFET-транзисторы* Планарная технология
Примечание: Определения «поколение технологического процесса» и «начало массового производства» у разных фирм
не совпадают. Сильное влияние на них оказывают маркетинговые соображения, поэтому данные определения могут
рассматриваться как ориентировочные.
Рисунок 1. Маршрутная карта освоения перспективных процессов поставщиками логических
приборов, схем памяти и кремниевых заводов (массово-поточное производство)
* FinFET – полевой МОП транзистор с двумя изолированными затворами, созданный на КНИ подложке; затвор расположен на двух,
трех или четырех сторонах канала или окружает канал, формируя таким образом структуру двойного затвора.
** FD-SOI (fully depleted SOI) – полностью обедненный КНИ («кремний-на-изоляторе»).
*** GAA (gate-all-around) – транзисторы с круговым затвором.
4 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г.
zet.instel.ru Микроэлектроника ко линии комплекса в Остине (шт. Техас, США), рой по величине «чистый» кремниевый завод то сейчас в его распоряжении находятся и ли- в целом стал гораздо более осторожным. Он нии в Южной Корее. В январе 2021 г. Samsung явно сделал ставку на технологии FD-SOI, и его заявила о намерении создать на территории платформа 22FDX пользуется большим успе- комплекса в Остине новый завод по обработке хом. В то же время GlobalFoundries не спешит 300‑мм пластин и выпуску ИС по 3‑нм техпро- выводить на рынок технологию 12FDX, так как цессу. Строительство предполагается начать пока не предвидит сильного спроса на нее. в 2021 г., установка основного оборудования Главная цель GlobalFoundries в ближайшее начнется с 2022‑го, а эксплуатация – в 2023‑м. время, помимо совершенствования техноло- Ориентировочный бюджет – 10 млрд долл., ко- гических процессов и наращивания объема нечная сумма и реализация плана в целом за- продаж, – подготовка к первоначальному пу- висят от переговоров с властями штата и фе- бличному предложению своих акций (IPO) деральными властями (льготы, субсидии). на бирже NASDAQ во второй половине 2022 г. Samsung намерена использовать в сво- Однако IPO будет осуществлено только после их интересах согласованные усилия прави- того, как корпорация достигнет определенных тельства США по противодействию растущей ее руководством финансовых показателей экономической мощи КНР и возвращению и завершит расширение производственных в страну части передовых производственных мощностей [9]. мощностей, которые в последние десятиле- SMIC, крупнейший кремниевый завод КНР, тия были выведены в азиатские страны. Есть обладающий наиболее передовыми в стране надежда, что это оживит проектирование производственными мощностями по изго- и производство ИС в США. Технологические товлению ИС, представляет собой надежную проблемы корпорации Intel и ее потенциаль- опору выполнения национальных программ ная зависимость от TSMC и Samsung в обла- в области микроэлектроники, таких как план сти производства ИС подчеркивают степень «Сделано в Китае 2025» (中国制造2025). Одна- прогресса этих азиатских фирм в последние ко введенные против него санкции США су- годы [7]. В 2022 г. корпорация Samsung наме- щественно осложняют освоение технологиче- рена освоить производство 3‑нм ИС с исполь- ских процессов с проектными нормами менее зованием транзисторов с круговым затвором 14/12 нм. Специалисты SMIC сумели изгото- (GAA), в то время как TSMC начнет произво- вить при помощи установок DUV-литографии5 дить 3‑нм ИС на FinFET-транзисторах, и только ИС с проектными нормами 12 нм и работа- потом перейдет к GAA-транзисторам. ют над 7‑нм процессом. Однако из-за невоз- В настоящее время лидером по инвести- можности (санкции!) получить из Голландии циям в новейшие производственные мощ- уже оплаченную установку EUV-литографии ности остается корпорация TSMC. В 2021 г. от фирмы ASML, опытные образцы ИС полу- она планирует капитальные затраты на эти чаются существенно дороже, чем аналогич- цели в размере от 25 млрд до 28 млрд долл. ные ИС TSMC. DUV-литография требует ис- (2020 г. – 17,2 млрд долл.) [8]. пользования методик как минимум двойного В отличие от Intel, Samsung и TSMC корпора- (а то и больше) формирования рисунка [10]. ции GlobalFoundries и UMC еще несколько лет Вопросы рентабельности производства ИС назад отказались от дальнейшего масштаби- можно решать как за счет глубокой модерни- рования ИС в пользу глубокой модернизации зации зрелых процессов (если на реализован- процессов уровня 22/20 нм. Предельными ные по ним ИС есть устойчивый спрос), так для себя они определили процессы с про- и за счет освоения новых технологий с меньши- ектными нормами 14/12 нм. Если говорить ми проектными нормами. ИС, изготовленные о GlobalFoundries, то после довольно резкого по перспективным технологиям, пользуются изменения своей стратегии в 2018 г. этот вто- преимуществами премиальных цен6, а пласти- Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г. 5
Микроэлектроника zet.instel.ru
TSMC GlobalFoundries UMC SMIC
1700
1634
1600
1530
1500
1343
1400
1300
.
1200
,
1100
1020 993 984
1000
Источник: IC Insights
900
777
800
770 668 675
700
684
600
620
500
2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Рисунок 2. Динамика средней цены обработанных пластин основных кремниевых заводов
ны, обработанные с использованием подобных 1,0 млрд долл.) буквально выстроились в оче-
технологий, отличаются наибольшей ценой. редь, чтобы их новейшие ИС были изготовле-
Действительно, в мире кремниевых заво- ны с использованием самых передовых про-
дов производство ИС по перспективным тех- цессов.
нологическим процессам имеет явное цено- Подводя итоги, можно сказать, что неза-
вое преимущество. Так, в 2020 г. корпорация висимо от типа ИС микроэлектронная (полу-
TSMC была единственным «чистым» кремни- проводниковая) промышленность эволюцио-
евым заводом, производящим ИС как по 7‑нм, нировала до такой степени, что только очень
так и 5‑нм проектным нормам. Не случайно небольшая группа компаний может разраба-
цена на ее пластины в 2020 г. значительно тывать перспективные технологические про-
возросла – до 1634 долл., что на 66% больше, цессы и производить по ним ИС. При этом
чем у GlobalFoundries и более чем вдвое пре- производство ИС по более зрелым процессам
высило цены на пластины UMC и SMIC. Это- также востребовано, и глубокая модерниза-
му способствовало и то, что многие ведущие ция таких процессов позволяет сохранять
fabless-фирмы (из них 16 – с доходом более рентабельность [1].
1. Revenue per Wafer Climbs As Demand Surges for 5nm/7nm IC Processes. IC Insights.
Research Bulletin, March 4, 2021: https://www.icinsights.com/news/bulletins/Revenue-Per-
Wafer-Climbs-As-Demand-Surges-For‑5nm7nm-IC-Processes/
2. Hackenberg Tom. Intel Turns to TSMC: Another Step Towards Fabless? i-Micronews,
January 21, 2021: https://www.i-micronews.com/intel-turns-to-tsmc-another-step-towards-
fabless/
6 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г.
zet.instel.ru Микроэлектроника
3. For the Release of 4 nm Intel Products, TSMC Will Have to Allocate an Entire Enterprise.
World Today News, January 9, 2021: https://www.world-today-news.com/for-the-releaseof4
nm-intel-products-tsmc-will-have-to-allocate-an-entire-enterprise/
4. Hamblen Matt. Intel Agrees to Sell its NAND Unit to SK Hynix for $9B. Fierce Electronics.
October 19, 2020: https://www.fierceelectronics.com/electronics/intel-talks-to-sell-its-nand-
unit-to-sk-hynix?mkt_tok=eyJpIjoiTmpBell6WTJaV016TW1NMSIsInQiOiJkQVRybzFMN3FVY
lV5VVNLYlhiU2V4R1lTdkpjcHExaGtraWI5ZkE0eFI5RW8yczM4TTZVRHo2eDR4VkhkWUV3b2
dPZjE3YlppNGRJUU13Q1ZYVUJaR0R4byttZ2I5K2tIQllVYzlBbVJFd1Bqb21oUithR0JJWis0M
UpPYU5cL200cjJXem9UMHZETGZ2ZlNiSlpaMkVRPT0ifQ%3D%3D&mrkid=118746433
5. SEMI Applauds President Biden, Bipartisan Congressional Leaders for Supporting
Semiconductor Supply Chain Incentives. Semiconductor Digest, February 25, 2021: https://
www.semiconductor-digest.com/semi-applauds-president-biden-bipartisan-congressional-
leaders-for-supporting-semiconductor-supply-chain-incentives/
6. Semiconductor Industry Leaders Urge President Biden to Prioritize Funding for
Semiconductor Manufacturing, Research. Semiconductor Digest, February 15, 2021: https://
www.semiconductor-digest.com/semiconductor-industry-leaders-urge-president-biden-to-
prioritize-funding-for-semiconductor-manufacturing-research/
7. Kim Sohee, King Ian. Samsung Considers $10 Billion Texas Chipmaking Plant, Sources
Say. Bloomberg, January 22, 2021: https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-01-22/
samsung-is-said-to-consider‑10‑billion-texas-chipmaking-plant
8. Patterson Alan. TSMC to Raise $9 Billion for Expansion Amid Shortages. EE Times,
February 11, 2021: https://www.eetimes.com/tsmc-to-raise‑9‑billion-for-expansion-amid-
shortages/
9. Shilov Anton. GlobalFoundries Offers Ambitious Tech Plans, While Eying an IPO. EE
Times, November 21, 2020: https://www.eetimes.com/globalfoundries-offers-ambitious-
tech-plans-while-eying-an-ipo/?utm_source=newsletter&utm_campaign=link&utm_
medium=EETimesDaily‑20201022&oly_enc_id=5245B7817912J8Z
10. Shilov Anton. SMIC: Advanced Process Technologies and Gov’t Funding. EE Times, July
13, 2020: https://www.eetimes.com/smic-advanced-process-technologies-and-govt-funding/
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г.7
Производственная база
Сектор пластин малого
диаметра: состояние
и перспективы
Ключевые слова: диаметр пластины, материал, обработка, производство.
Заводы по производству и обработке пластин диаметром 150 мм и менее по-прежнему процвета-
ют, занимая устойчивое положение в ряде технологических ниш. Это наблюдается во всех странах,
особенно в КНР. Одна из причин – применение прорывных технологий, в которых используются
новые перспективные материалы со специфическими свойствами.
Состояние производственной базы
в секторе маломерных пластин
В последних сообщениях о развитии про- экономии, обусловленной ростом масштабов
изводственной базы полупроводниковой производства), сектор обработки пластин диа-
промышленности можно найти упоминания метром 150 мм и менее не испытывает се-
о крупных инвестициях в сооружение заво- рьезных трудностей.
дов по обработке 300‑мм пластин. Напри- Интеграция аналоговых функций в тех-
мер, это завод корпорации Infineon в Австрии нологии на основе КМОП-процесса достиг-
за 1,6 млрд долл. или начатое строитель- ла физических ограничений, описываемых
ство «мегафабрики» в шт. Аризона (США) т. н. законом Мура, что привело к появлению
за 12,0 млрд долл., осуществляемое TSMC. и развитию концепции «Больше, чем Мур».
Подобные события не означают, что мировая На ее основе реализуется широкий диапа-
полупроводниковая промышленность отказы- зон полупроводниковых приборов, таких как
вается от заводов по обработке пластин диа- микроэлектромеханические системы (MEMS)
метром 150 мм и менее. В настоящее время и датчики, КМОП-формирователи сигналов
существует около 800 подобных предприятий, изображения, силовая электроника, радиоча-
более половины из которых (464) располо- стотные приборы. Все эти приборы интегриру-
жены в странах Азии, а значительное число ют аналоговые и цифровые технологии.
по-прежнему действует в США (187) и Европе Рост числа конечных систем, требующих
(136) (рис. 1). Несмотря на то что по многим использования полупроводниковых прибо-
типам полупроводниковых приборов наблю- ров, реализуемых по концепции «Больше, чем
дается переход к обработке пластин большего Мур», – один из факторов развития рынка пла-
диаметра (что уменьшает удельную стоимость стин малого диаметра (150 мм и менее). Пред-
продукции и снижает общие издержки за счет полагается, что доходы от реализации пластин
8 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г.zet.instel.ru Производственная база
КНР Азия
США
Европа
Южная Корея
Англия, Россия
Япония
Шотландия,
Уэльс ФРГ
Франция
Тайвань
Сингапур
Источник: Yole Développement
Северная Америка
·В
сего заводов по обработке
пластин: 800 (2020 г.)
·О
бщее число фирм-владелиц этих
заводов: 459
Прочие страны мира
Рисунок 1. Географическое распределение заводов по обработке пластин диаметром от 25
до 150 мм
этих диаметров в период 2019–2025 гг. будут относятся, например, Silicon Wafer Enterprises
увеличиваться со среднегодовыми темпами (шт. Калифорния, США) и Atecom Technology
роста в сложных процентах (CAGR) порядка (Тайвань), а к производителям пластин – АТЕ-
1,3%. Общий объем продаж в конце прогнозиру- КОМ, «Монокристалл» (Россия), Pam-Xiamen
емого периода составит 5,6 млрд долл. (рис. 2). (КНР) и Siltronic (ФРГ). Производители необ-
Следует отметить еще несколько моментов. работанных пластин могут поставлять свою
Во-первых, сектор маломерных пластин охва- продукцию напрямую фирмам-владельцам
тывает как кремниевые, так и некремниевые заводов по обработке пластин (таким как
подложки, т. е. аналоговые функции интегриру- Intel, Global Foundries и TSMC и т. д.) или дис-
ются как в КМОП-технологии, так и в техноло- трибьюторам необработанных пластин.
гии на основе иных полупроводниковых мате- Последние тоже поставляют эти пласти-
риалов. Во-вторых, наиболее устойчивый спрос ны производителям ИС и полупроводнико-
будут предъявляться на пластины диаметром вых приборов, а также (в меньших объемах)
150 мм – CAGR в этом секторе за 2019–2025 гг. научно-исследовательским учреждениям,
составит 4,7%. В-третьих, большая часть дохо- таким как Межуниверситетский центр микро-
дов от продаж 50‑нм пластин будет достигнута электроники (IMEC, Левен, Бельгия) и обще-
за счет InP-подложек. ство Фраунгофера (ФРГ), университетам, стар-
Для поддержки заводов по обработке пла- тапам, малым и средним предприятиям.
стин малых диаметров по всему миру суще- Дистрибьюторы необработанных пластин
ствует достаточно богатая и разнообразная также располагаются по всему миру. На-
экосистема, охватывающая цепочку от по- пример, это Elma в Азиатско-Тихоокеанском
ставщиков сырья до производителей необ- регионе (АТР), Wafer Export в Европе и Nova
работанных пластин. К поставщикам сырья Electronic Materials в США.
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г. 9Производственная база zet.instel.ru
Рынок пластин диаметром 150 мм и менее в целом
InP SiC
Si сапфир
GaAs титанат лития – н
иобат лития
Источник: Yole Développement
Рисунок 2. Структура рынка пластин диаметром 150 мм и менее в 2019 и 2025 г. (прогноз)
в разбивке по используемым материалам
Еще один источник поставок необработан- маются 200‑мм и 300‑мм структурами. За-
ных пластин для заводов по их обработке – ниматься восстановлением кремниевых
фирмы, специализирующиеся на восстанов- пластин диаметром 25–150 мм экономиче-
лении пластин. Эти фирмы восстанавливают ски нецелесообразно. Однако существует
пластины, которые частично прошли техноло- интересная тенденция – растущий рынок
гический маршрут на каком-либо из заводов восстановления некремниевых пластин, пре-
по их обработке, но по тем или иным причи- жде всего SiC- и GaAs-структур. Оба типа этих
нам (изменение конструкции, ошибка процес- пластин по-прежнему достаточно дороги
са литографии и т. п.) были забракованы. При по сравнению с кремниевыми, поэтому вос-
восстановлении верхняя часть пластины сти- станавливать их выгодно даже при диаме-
рается, и полученная пластина возвращается трах 150 мм и ниже. Также наблюдается рост
на завод по их обработке, где с ней поступают объемов восстановления GaN-пластин диа-
как со стандартной подложкой для тестирова- метром 100–150 мм и ряда пластин из других
ния и аттестации. материалов. Сапфировые подложки данная
Сегодня фирмы по восстановлению пла- тенденция пока не охватила (как и кремние-
стин, как правило, в первую очередь зани- вые).
Цепочка поставок
Заводы по обработке пластин поставляют и фирмам, специализирующимся на сборке,
свою продукцию как непосредственно изгото- корпусировании и тестировании полупровод-
вителям комплектного оборудования (ОЕМ), никовых приборов (OSAT) – таким как кор-
таким как Apple, Samsung, Dell и Huawei, так порации ASE Technology (Тайвань) и Amkor
10 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г.zet.instel.ru Производственная база Technology (США). Они могут поддерживать ны на основе других материалов. Например, заводы по обработке пластин в операциях ин- продажи 150‑мм SiC-пластин в конце прогно- теграции, а также в операциях завершающей зируемого периода могут достигнуть 712 млн обработки. долл. при CAGR = 18,6%. Наконец, по мере того Хотя доминирующим материалом для как производство радиоприборов и мощных 150‑мм пластин по-прежнему является крем- полупроводниковых приборов переводит- ний, особенно для MEMS потребительского ся на кремниевые пластины диаметром 200 назначения, в секторе пластин этого диаме- и 300 мм, продажи кремниевых 150‑мм пла- тра умеренный или наибольший рост в период стин за рассматриваемый период могут сни- 2019–2025 гг. будут демонстрировать пласти- зиться на 3,3%. Консолидация отрасли В последние годы в секторе пластин мало- приборов для рынков автомобильной и авиа- го диаметра наблюдается тенденция консо- ционной электроники. лидации, реализуемая посредством сделок Помимо строительства новых заводов слияния и поглощения. В наибольшей степени по обработке пластин и закупки нового обору- это касается сектора SiC-пластин, в чуть мень- дования существует достаточно оживленный шей – сектора GaN-пластин. Например, в по- рынок модернизированного оборудования следние годы корпорация STMicroelectronics и технического обслуживания – дополнитель- поглотила фирму Nortel в целях расширения ный аргумент к утверждению «заводы по об- своего SiC-бизнеса, а корпорация Soitec при- работке пластин никогда не умирают». Амор- обрела фирму EpiGaN. В феврале 2020 г. один тизированные заводы по обработке пластин из крупнейших в мире производителей крем- также предоставляют возможности массово- ниевых пластин, корпорация SK Siltron, купи- го производства недорогих приборов. То есть ла подразделение группы DuPont по произ- одновременно с тем, что полупроводнико- водству SiC-пластин. Этим она показала, что вые приборы старших моделей могут изго- даже крупные производители кремниевых тавливаться на новых заводах по обработке пластин заинтересованы в материалах, под- 200‑мм пластин, по-прежнему существует держивающих концепцию «Больше, чем Мур», значительный спрос на изготовление стан- а кроме того, желают обезопасить свои це- дартных мощных полупроводниковых прибо- почки поставок. К тому же начиная с 2018 г. ров, таких как IGBT (биполярные транзисторы было заключено несколько заметных сделок. с изолированным затвором) и MOSFET (МОП Например, корпорация Cree Wolfspeed догово- полевые транзисторы) на пластинах диаме- рилась о поставке своих SiC-пластин корпора- тром 150 мм. циям Infineon Technologies, STMicroelectronics На полностью амортизированных заво- и ONSemiconductor для производства SiC дах по обработке пластин диаметром 150 мм ИС и приборов. Фирма SiCrystal (подразде- и менее технологическое оборудование может ление Rohm) в марте 2020 г. подписала со- быть использовано для оказания услуг по про- глашение о поставке SiC-пластин фирме изводству обладающих конкурентоспособной ONSemiconductor. Наконец, с июня 2020 г. фир- ценой приборов – в зависимости от возмож- ма II‑VI получила лицензию на использование ностей их адаптации к различным материалам SiC-технологии корпорации General Electric, и диаметрам обрабатываемых пластин (вклю- специализирующейся на производстве SiC- чая 100‑мм и 150‑мм пластины). Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г. 11
Производственная база zet.instel.ru Устойчивость рынка Устойчивость рынка услуг производства метром 25–150 мм невелика. Это делает их и обработки пластин малого диаметра не в по- привлекательными для небольших изготови- следнюю очередь связана с «достаточно хо- телей и научно-исследовательских институ- рошим» соотношением выхода годных и рен- тов, для которых стоимость масштабирования табельности инвестиций. То есть отношение инструментальных средств для обработки производительности прибора, произведенно- пластин бóльших диаметров может оказать- го на малых пластинах, к удельным затратам ся непомерно высокой. Кроме того, экономи- на его формирование не связано с высокими ческий смысл сохранять небольшие размеры капитальными затратами или рисками, свя- кристаллов на пластинах малого диаметра занными с изменениями технологического существует тогда, когда объемы производ- процесса. ства не испытывают значительный рост. Для Это ценностное предложение7 в сочетании некоторых производителей пластин инве- с развитой экосистемой подходит многим стиции в масштабирование технологий для развивающимся секторам конечных элек- выращивания более крупных кристаллов мо- тронных систем, услуг и применений, таким гут оказаться неподъемными. Еще одно пре- как электрификация транспортных средств, имущество использования пластин малого радиоприборы, датчики, актюаторы и MEMS размера – при освоении обработки пластин в автомобильной и потребительской электро- бóльшего диаметра выход годных может сни- нике. Стоимость изготовления пластин диа- жаться, по крайней мере на начальных этапах. Выбор материала Выбор материала для пластин диаметром ходимостью снижения удельной стоимости 25–150 мм обуславливается как развивающи- (в пересчете на площадь) SiC-пластин, чтобы мися рынками, так и конечными продуктами. приблизить ее к покупателям традиционных Каждый материал, такой как сапфир, монолит- кремниевых пластин. ный GaN, GaAs, SiC, InP или титанат лития – ни- Карбид кремния ценится за такие качества, обат лития и кремний, имеет физические свой как возможность изготовленных из него при- ства, наиболее подходящие определенному боров работать с большими напряжениями применению (рис. 3). и при высоких температурах. Он становится Карбид кремния (SiC) – один из перспек- популярным выбором для использования тивных материалов, область применения в таких применениях, как возобновляемые которого быстро расширяется, что связано источники энергии, полностью электриче- с привлечением крупных инвестиций. Почти ские транспортные средства, электрификация все ведущие разработчики и производители гибридных транспортных средств и транс- силовой электроники и приборов на основе портных средств с двигателями внутренне- сложных полупроводников активно участву- го сгорания. Благодаря этому продажи SiC- ют в разработке решений на основе SiC. Бла- пластин диаметром 150 мм и ниже увеличатся годаря этому растут объемы производства с 200 млн долл. в 2019 г. до 700 млн в 2025‑м SiC-пластин диаметром до 150 мм и даже при CAGR за прогнозируемый период в 18,6%. 200 мм. Такое восходящее масштабирование Рынок InP также динамичен и вызывает в значительной степени обусловлено необ- большой интерес со стороны крупных компа- 12 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г.
zet.instel.ru Производственная база
2002 г.: первая 150‑мм 1999 г.: первые ИС ЗУ на 300‑мм 2011 г.: первые мощные полупроводниковые
InP-пластина (НИОКР) кремниевых пластинах приборы на 300‑мм кремниевых пластинах
2020 г.: строительство первого завода
по обработке 200‑мм SiC-пластин
2008 г.: коммерчески доступны первые 200‑мм SiC-пластины
2010 г.: доступны первые 250‑мм пластины
Источник: Yole Développement
Предел малых
размеров
Si 4H-SiC GaAs InP Монолит- Сапфир ниобат лития – титанат лития
ный GaN
Рисунок 3. Эволюция диаметра пластин в зависимости от материала
ний. В этом секторе тоже наблюдается про- ют меньшей точностью, чем GaAs-приборы,
цесс консолидации – недавно корпорация но их диапазон больше. Поэтому InP-приборы
AXT поглотила фирму Crystacomm для раз- используются в ToF8‑датчиках, а не для рас-
вития бизнеса в области 150‑мм InP-пластин. познавания лиц.
Надо отметить, что производство InP-пластин Рынок GaAs-пластин также переживает пе-
диаметром более 100 мм серьезно затрудне- реход от пластин диаметром 100 мм к 150‑мм
но по технологическим причинам. В то же пластинам. Хотя доля 100‑мм пластин в от-
время 50‑мм InP-пластины по-прежнему вы- грузках и продажах остается значительной.
пускаются в больших объемах. Они в основ- Эта тенденция в основном обусловлена при-
ном используются для производства прибо- менением средств 3D-измерений и считыва-
ров, предназначенных для средств передачи ния малого радиуса действия, которые исполь-
данных. Одновременно поставщики увеличи- зуются в лидарных системах автомобилей для
вают производство InP-пластин диаметром помощи водителям и системах распознавания
75 и 100 мм. По оценкам, объем производ- лиц в смартфонах, а также в некоторых изде-
ства этих пластин в стоимостном выражении лиях потребительской электроники.
за период 2019–2025 гг. удвоится – со 100 млн На рынке потребительских устройств
до 200 млн долл., а CAGR за рассматривае- 3D-измерений и считывания лидирует GaAs-
мый период составит 14,4%. Физические свой технология излучающих с поверхности полу-
ства InP делают его привлекательным мате- проводниковых лазеров с вертикальным ре-
риалом для изготовления лазерных диодов зонатором. Если сравнивать InP EEL и GaAs
с торцевым излучением (edge emitting laser, VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser –
EEL). Эти приборы используются, например, излучающие с поверхности полупроводнико-
в ЦОД, обрабатывающих большие объемы вые лазеры с вертикальным резонатором),
данных. При использовании в технологиях то вторые обеспечивают бóльшую точность
3D-измерений приборы на основе InP облада- 3D-измерений. Кроме того, VCSEL могут ис-
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г. 13Производственная база zet.instel.ru
пользоваться в передних и задних камерах Сапфировые пластины применяются глав-
систем безопасности автомобиля, в системах ным образом при изготовлении СИД для
дополненной9 и виртуальной10 реальности средств уличного и домашнего освещения,
(быстрое увеличение громкости и т. п.). GaAs а также СИД, используемых в потребитель-
также может использоваться в микроСИД, ских приборах. Рынок сместился из России
особенно для пикселей красного свечения. в КНР, оставив компанию «Монокристалл»
Общий объем продаж GaAs-пластин в 2019 г. единственным российским производителем
достиг 300 млн долл., а в 2025 он увеличится и лидером мирового рынка. Цена значитель-
до 400 млн при CAGR = 8%. но снизилась, насыщенный рынок СИД в на-
Монолитные пластины в основном при- стоящее время обслуживает малое число
меняются для производства изделий опто- поставщиков. В целом же объемы отгрузок
электроники (рис. 4), причем гражданские сапфировых подложек очень велики – более
применения на основе этих подложек менее 40 млн шт. в год (в пересчете на эквивалент-
развиты, чем в случае SiC-подложек. Моно- ную площадь структур диаметром 100 мм).
литные GaN-пластины производятся в малых Расширение потребления микроСИД может
объемах и используются для изготовления способствовать увеличению продаж сапфиро-
специфических приборов, обладающих очень вых подложек, но это вряд ли произойдет ра-
высокой производительностью, или очень уз- нее 2024–2025 гг. Когда (и если) это произой-
коспециализированных (узконишевых) при- дет, наибольший спрос будет предъявляться
боров. на пластины диаметром 150 мм.
«Больше
Приборы, реализованные по концепции «Больше, чем Мур»
Мура»
Фотоника Светоизлучающие диоды (СИД) Радиоприборы Мощные МЭМС
приборы
Усилители
мощности
Фильтры
Микропотоковые
Актюаторы
Датчики
переключатели
СИД видимого
Антенные
приборы
GaN
Лазеры SiC
Источник: Yole Développement
Фотонные ИС
свечения
МикроСИД
МиниСИД
УФ-СИД
ИК-СИД
ROY* СИД
Зеленые
Транзисторы
HEMT**
СИД голубого
Диоды
VCSEL
свечения
СИД
EEL
Больше
приборов Больше функциональности
Кремниевые
подложки Кремний, GaAs, GaN, InP, SiC, ниобат лития – т итанат лития, SOI/КНИ, POI*** и т. д.
Рисунок 4. Категории полупроводниковых приборов, изготавливаемых на пластинах диаметра
150 мм и менее
* ROY (red-orange-yellow) – СИД красно-оранжево-желтого свечения.
** HEMT (high electron mobility transistor) – транзисторы с высокой подвижностью электронов.
*** POI (piezoelectric-on-insulator) – «пьезоэлектрик-на-изоляторе».
14 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г.zet.instel.ru Производственная база Смена ориентиров Пластины титаната лития – ниобата лития Кремний, похоже, будет единственным ма- (LiTaO3/LiNbO3, LT/LN) производятся в больших териалом, теряющим свою долю на рынке пла- объемах, преимущественно для изготовления стин малого диаметра. Ожидается, что в пери- РЧ-фильтров для смартфонов. Это большой, од 2019–2025 гг. продажи кремниевых пластин но очень насыщенный рынок с небольшим сократятся с 2,2 млрд до 1,8 млрд долл. при пространством для роста. Основная доля LT/ CAGR = –3,3%. Отчасти это связано с ростом LN-пластин изготавливается тремя японски- популярности приборов, реализуемых на осно- ми компаниями: Sumitomo, Yamaju и Shin-Etsu. ве концепции «Больше, чем Мур», и некоторых Данный сектор рынка жестко ограничен диа- других массово выпускаемых изделий, для ко- метрами пластин в 125 и 150 мм. Однако доми- торых «чисто кремниевые» пластины не требу- нирование данной технологии на рынке оспа- ются. Это относится к определенным мощным ривается французской корпорацией Soitec, полупроводниковым приборам, MEMS и ИС разработавшей технологию «пьезоэлектрик- для автомобильной электроники. на-изоляторе» (piezoelectric-on-insulators, POI). Тем не менее для кремниевых пластин диа- Эта технология предполагает формирование метром 150 мм и менее по-прежнему суще- тонкого слоя LT/LN-кристаллов на кремни- ствует значительная область применения. Она евой подложке диаметром 125 или 150 мм. включает, в частности, такие приборы, как Считается, что это серьезная альтернатива LT/ мощные переключательные устройства (IGBT, LN-пластинам в качестве подложек для изго- MOSFET), а также MEMS для потребительских товления РЧ-фильтров. применений. КНР крупным планом КНР производит большие объемы кристал- известный производитель GaAs-приборов лов (для последующей резки на пластины) и один из мировых лидеров по производству и пластин, в первую очередь для обслужива- VCSEL. ния собственного обширного рынка. Пожалуй, Прогресс китайских фирм в области GaN- наиболее известна Поднебесная производ- технологии достаточно стремителен. Так, на- ством GaAs- и сапфировых пластин. пример, фирма ETA Research, относительный Китайские фирмы уже могут формиро- новичок данного сегмента, уже предлагает вать полную цепочку поставок пластин для на коммерческом уровне перспективные ре- определенных применений. Так, в начале шения, такие как независимые11 GaN 100‑мм- цепочки поставок может располагаться ком- подложки. пания VITAL, производитель кристаллов для В настоящее время в КНР осуществляется дальнейшего изготовления пластин. Далее массовое производство SiC- и InP-пластин, могут следовать фирмы, увеличивающие до- предназначенных прежде всего для внутрен- бавленную стоимость пластин за счет вы- него рынка. В частности, SiC-пластины и из- ращивания эпитаксиальных структур, такие готовленные на них полупроводниковые при- как IntelliEPI (GaAs) и VPEC. На другом конце боры используются многими национальными цепочки поставок может оказаться произ- автопроизводителями в своих электромоби- водитель полупроводниковых приборов – лях и гибридных транспортных средствах. например, San’an Optoelectronics, всемирно По мере роста рынка все более значительны- Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г. 15
Производственная база zet.instel.ru
ми игроками становятся такие местные фир- ные инвестиции. Объем произведенных в КНР
мы, как SICC и TANKE Blue. инвестиций таков, что из пяти основных игро-
Качество и диаметр выпускаемых в КНР ков на данном рынке три являются китайски-
кристаллов для изготовления пластин и самих ми фирмами. В их число входит и VITAL, одна
пластин пока остаются менее современными, из наиболее развитых национальных компа-
чем американские и европейские предложе- ний в секторе InP-технологий.
ния. Однако, как ожидается, в ближайшее вре- Наконец, множество китайских фирм вы-
мя китайские поставщики улучшат качество ращивают кремниевые кристаллы для про-
своей продукции и будут активнее продвигать изводства пластин, ряд из них производит
ее на мировом рынке. и сами пластины. Крупнейшими здесь яв-
Отраслевые специалисты отмечают, что ляются LDK, Huantai Group и Luoyang Single
для наращивания производства InP-пластин Crystal Silicon Group. Все эти компании в пер-
и одновременного увеличения их диаметра вую очередь обслуживают внутренний ры-
требуются специальные знания и значитель- нок.
Заключение
Последствия пандемии COVID‑19 сказыва- Пластины малого диаметра используются
ются и на производстве пластин. Ожидаемый на высокодинамичных рынках. Электрифи-
спрос на них, по оценкам, снизится для некото- кация транспортных средств осуществляет-
рых конечных применений на 10%. Тем не ме- ся на основе SiC-приборов. Системы помощи
нее, несмотря на временное замедление про- водителю в современных машинах, а также
изводства, существует большое число новых функционирование полностью автономных
технологий, требующих изготовления полу- машин в будущем в конечном счете завязаны
проводниковых приборов на пластинах малых на лидарные системы, создаваемые на осно-
диаметров. Именно такие приборы, в т. ч. из- ве GaAs-датчиков и актюаторов. GaAs-датчики
готавливаемые с учетом концепции «Больше, также востребованы в потребительских при-
чем Мур», будут и дальше служить движущим менениях, коммерческих использованиях тех-
фактором развития рынка пластин диаметром нологий дополненной и виртуальной реаль-
150 мм и менее, доля которых на общем рын- ности. Наконец, потребность в повышении
ке пластин будет сокращаться постепенно – быстродействия средств передачи данных
с 63% в 2019 г. до 53% в 2025‑м. Одна из причин для удовлетворения растущих требований
устойчивости – наличие необходимого числа сверхбыстрой обработки данных – еще одна
заводов по обработке малых пластин и выпу- из причин, обеспечивающих перспективы дол-
ску ИС и полупроводниковых приборов по все- госрочного существования сектора производ-
му миру, а также надежная экосистема, обеспе- ства и обработки пластин диаметром 150 мм
чивающая безопасность цепочки поставок. и менее.
Kumaresan Vishnu. Fabs Never Die. I-Micronews. February 15, 2021: https://
www.i-micronews.com/fabs-never-die//?utm_source=ZohoCampaigns&utm_
campaign=iMN_19Janvier_2021_ASIA&utm_medium=email
16 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г.23-я Международная выставка электронных компонентов, модулей и комплектующих 13–15 апреля 2021 Москва, Крокус Экспо expoelectronica.ru Получите Ваш бесплатный билет по промокоду ee21print
Микроэлектроника zet.instel.ru
Материалы ISSCC‑2021:
SoC и ЦОС‑процессоры
Ключевые слова: архитектура, издержки, масштабирование,
«система-на-кристалле», транзисторы.
Недавно прошла 68‑я Международная конференция по твердотельным ИС (International Solid State
Circuit Conference, ISSCC). Обычно она проводится в первой половине февраля в Сан-Франциско
(шт. Калифорния, США), но в этот раз прошла в виртуальном режиме – из-за пандемии коронавиру-
са. Основными темами конференции стали ИС для сетей и средств связи 5G и радиолокационных
систем, а также ИС цифровой обработки данных.
Нанолистовая технология GAA-
транзисторов корпорации Samsung
Доклад «3‑нм СОЗУ на транзисторах с кру- вания, которая исчезла при замене планарных
говым затвором, использующее адаптивную транзисторов на FinFET. Архитектура FinFET
двойную разрядную шину и адаптивную схе- определяет ширину транзистора дискретно.
му вспомогательного питания ячейки» (A 3nm Если требуется улучшить ток возбуждения,
Gate-All-Around SRAM Featuring an Adaptive добавляется «плавник». Если необходимо из-
Dual-BL and an Adaptive Cell-Power Assist Circuit) менить отношение полярностей транзисторов
формально был посвящен развитию СОЗУ, од- n-типа и p-типа, решение также заключается
нако в значительной мере представляет собой в увеличении числа «плавников».
разбор достоинств технологии нанолистовых Со своей стороны, архитектура MBCFET по-
транзисторов с круговым затвором (GAA). зволяет разработчикам плавно изменять ши-
Данная технология, которую Samsung рассма- рину транзистора. Это обеспечивает лучшую
тривает как альтернативу FinFET-технологии, оптимизацию потребляемой мощности, про-
должна начать использоваться при массово- изводительности и площади (рис. 1). Благо-
поточном производстве ИС с конца 2021 г. даря «бесступенчатости» изменения ширины
Речь идет не просто о GAA-транзисторах, нанолистового транзистора исследователи
а о полевых транзисторах с множественны- Samsung смогли также точно балансировать
ми мостиками канала (MBCFET12). По срав- отношение p–n для лучшей оптимизации ско-
нению с FinFET-транзисторами, возможности рости считывания и записи ячейки.
масштабирования которых подходят к своим Для дальнейшего повышения произво-
физическим пределам, MBCFET обладают дительности СОЗУ разработчики Samsung
улучшенной электростатикой полностью окру- предложили методику адаптивной двойной
женного канала транзистора. Управление ка- разрядной шины (ADBL). При параллельном
налом осуществляется с четырех (а не с трех, подключении во время операции записи вспо-
как у FinFET) сторон. Кроме того, технология могательной разрядной шины сопротивление
MBCFET возвращает изменчивость проектиро- основной разрядной шины снижается, что,
18 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г.zet.instel.ru Микроэлектроника
Дополнительный
«плавник»
Планарный полевой FinFET-транзистор
транзистор
Ширина нанолиста
Этажерки
«Плавник» «Плавник» (в рисунке –
произвольное
Источник: ISSCC 2021
число)
Увеличение
Нанолист ширины Нанолист
Нанолистовой круговой затвор
(полевой транзистор с множественными
мостиками канала, MBCFET)
а б
Рисунок 1. Транзисторы с нанолистовыми круговыми затворами улучшают гибкость конструкции
и производительность СОЗУ (а, б)
в свою очередь, улучшает скорость записи. создали 256-Мбит тестовую СОЗУ на GAA-
Сообщается, что использование методики транзисторах. Ее эксплуатация показала, что
ADBL не оказывает отрицательного влияния улучшение конструкции ячейки за счет GAA-
на быстродействие или потребляемую мощ- структуры, а также применение методик ADBL
ность во время операций считывания. и ACP позволило снизить ток считывания–за-
Второй подход, содействующий увеличению писи на 230 мВ.
производительности, – это адаптивное вспо- Предполагается, что 3‑нм GAA-технология
могательное питание ячейки (АСР). В рамках обеспечит развитие перспективных поколе-
этого подхода к матрице ячеек добавляются ний «систем-на-кристалле» и других типов
верхний и нижний транзисторы, активирую- полупроводниковых приборов, реализуемых
щиеся в зависимости от близости активной по новейшим технологиям с минимальными
ячейки. За счет активации наиболее удаленно- проектными нормами. Учитывая требования
го от активной ячейки переключателя обеспе- к внутрикристальной памяти, предъявляемые
чивается улучшение скорости записи. конструкциями SoC, достигнутые разработчи-
Для демонстрации возможностей но- ками Samsung улучшения вызвали значитель-
вой технологии специалисты Samsung ный интерес.
Вычислительный ЦОС-процессор
корпорации Qualcomm
Корпорация Qualcomm представила работу вычислительного ЦОС-процессора (compute
Thread-Level Power Management for a Current- digital signal processor, CDSP) Hexagon. В докла-
and Temperature-Limiting System in a 7 nm де было отмечено, что предшествующие мето-
Hexagon Processor, описывающую управление ды управления режимом электропотребления
уровнями потребляемой мощности своего SoC создавали проблемы с производительно-
Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г. 19Микроэлектроника zet.instel.ru
стью, в первую очередь на уровне операций, нее увеличение производительности состави-
требующих малой потребляемой мощности. ло 11% (рис. 2).
Анализируя отдельные потоки выполнения Потребность постоянного совершенствова-
задач, реализуемые процессором, разработ- ния внутрикристального управления режимом
чики Qualcomm продемонстрировали рост электропитания SoC, как правило, обусловле-
производительности потоков с малой потреб на как потребностями CDSP-блока в высоком
ляемой мощностью до 35% (по сравнению токе, так и возможностями питания SoC или
с методами глобального «дросселирования»). от аккумуляторной батареи, или через систе-
Для потоков задач, при реализации которых му управления режимом электропитания ИС.
требуется высокая потребляемая мощность, Отмечается, что все это позволяет снизить
улучшения были малозаметны. В целом же вероятность и частоту сбоев в цепи электро-
по всем операциям CDSP Hexagon общее сред- питания [1].
Процессоры корпораций Microsoft, nVidia и Baidu
Корпорация Microsoft представила ЦОС- транзисторов, площадь кристалла составля-
процессор для игровой приставки Xbox ет 360 мм2, а сам кристалл заключен в кор-
Series X, изготовленный по 7‑нм процессу фир- пус с матричным расположением шариковых
мы TSMC. Этот процессор содержит 15,3 млрд выводов (BGA) размером 52×52 мм. В графи-
Вычислительные блоки Мультимедийные блоки
Видео
Комплекс центрального
процессора
Формирование изображений
Графический процессор Дисплей
ADRENO
Системная безопасность
Вычислительный ЦОС-процессор
Источник: ISSCC 2021
Память
Сотовый блок Блок определения Блок режима малой
местоположения потребляемой мощности
ЦОС-модем Маломощный ЦОС-
процессор
Рисунок 2. Вычислительный ЦОС-процессор Hexagon как один из основных вычислительных
компонентов SoC Snapdragon корпорации Qualcomm
20 Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г.zet.instel.ru Микроэлектроника ческом процессоре содержится 52 вычисли- боте на частоте 1,41 ГГц эффективная пиковая тельных блока с тактовой частотой 1,8 ГГц, обработка составляет 1248 терафлопс для что обеспечивает скорость передачи данных 8‑разрядных целых чисел, 624 терафлопс для 12 терафлопс (12 трлн операций с плавающей типа данных FP16 и 312 терафлопс для типа запятой в секунду). Также в ЦОС-процессоре данных TF32. используется восемь ядер центрального про- Китайская корпорация Baidu представила цессора с тактовой частотой 3,8 ГГц. Про- первый собственный ускоритель искусствен- пускная способность памяти составляет ного интеллекта Kunlun, предназначенный для 566 Гбайт/с (20×16 GDDR6). В результате ЦОС- ЦОД. Процессор реализован по 14‑нм техно- процессор Microsoft поддерживает игры с раз- логическому процессу корпорации Samsung, решением 4К (4096×3112 пикселей). его пиковая производительность составля- Еще один приверженец 7‑нм технологиче- ет 230 терафлопс (INT8) на частоте 900 МГц ского процесса TSMC – корпорация nVidia. и до 281 терафлопс (INT8) при увеличении На ISSCC‑2021 она представила графический частоты до 1,1 ГГц. Пропускная способность процессор А100, предназначенный для систем памяти – 512 Гбит/с, пиковая потребляемая центров обработки данных (облачные вычис- мощность – 160 Вт, площадь кристалла ИС – ления, ускоряемые при помощи графических 500 мм2. процессоров). Данный графический процессор Гибридная архитектура процессора Kunlun содержит 54 млрд транзисторов, его площадь – поддерживает не только ускорение перемно- 826 мм2. Целевые приложения А100 – глубокое жения матриц для задач глубокого обучения обучение на основе искусственного интеллекта (поддерживается как собственно обучение, и формирование логических выводов, анали- так и формирование логических выводов), тика данных, научные вычисления, геномика, но и программируемый кластерный вычис- краевая13 видеоаналитика и 5G-услуги, графи- лительный блок для реализации задач парал- ческий рендеринг14 и облачные игры. лельной обработки данных, таких как научные Процессор поддерживает обработку та- вычисления. ких типов данных, как BFloat16 (BF16), Кристалл процессора содержит два вычис- TensorFloat‑32 (TF32) и FP64, многообъект- лительных блока с расширенными возможно- ная визуализация, ввод–вывод со скоростью стями (extended processor unit, XPU), каждый 50 Гбит/с (NVLink3) и протокол NVSwitch, обе- из которых имеет 8 Гбайт собственной памяти спечивающий связь между графическими и 16 Мбайт распределенного внутрикристаль- процессорами. ного СОЗУ. Связь блоков осуществляется при Режим многообъектной визуализации помощи «сети-на-кристалле» с пропускной призван обеспечить полное использование способностью 256 Гбайт/с. Это позволяет од- возможностей процессора. Это позволяет ному блоку получать доступ к памяти с высо- реализовывать А100 в диапазоне от одного кой пропускной способностью и общей внутри- до семи изолированных графических процес- кристальной памяти, подключенной к другому соров, реконфигурируемых «на лету». При ра- блоку [2]. Визуализирующий процессор корпорации Sony Корпорация Sony представила на ISSCC‑2021 рованным) поверх него процессором на сверх- 12,3‑мегапиксельный КМОП-формирователь точной нейронной сети (CNN) с удельной про- сигналов изображения со встроенным (этажи- изводительностью 4,97 терафлопс/Вт. Таким Экспресс-информация по зарубежной электронной технике. Выпуск 6 (6730) от 25 марта 2021 г. 21
Вы также можете почитать
