Wie sind Prozessknoten definiert?

Wir sprechen bei ExtremeTech viel über Rechenknoten, beziehen uns jedoch häufig nicht darauf, was ein Rechenknoten technisch ist. ist. Da Intels 10-nm-Knoten jetzt in Produktion ist und TSMC + Samsung über zukünftige 5-nm- und 3-nm-Knoten spricht, ist es ein guter Zeitpunkt, das Thema zu überprüfen, insbesondere die Frage, wie TSMC und Samsung im Vergleich zu Intel sind.

Prozessknoten werden normalerweise mit einer Nummer gefolgt von der Abkürzung für Nanometer benannt: 32 nm, 22 nm, 14 nm usw. Es gibt keine feste objektive Beziehung zwischen irgendwelchen Merkmalen des Zentralprozessor und den Namen des Knotens. Dies war nicht immer der Fall. Von ungefähr den 1960er bis Ende der 1990er Jahre wurden Knoten nach der Länge ihrer Türen benannt. Dieses IEEE-Diagramm zeigt die Beziehung:

lithot1

Lange Zeit stimmten die Gatelänge (die Länge des Transistorgatters) und der Halbton (der halbe Abstand zwischen zwei identischen Merkmalen auf einem Chip) mit dem Namen des Prozessknotens überein, aber das letzte Mal war dies der Fall 1997. Der Halbton stimmte mehrere Generationen lang mit dem Knotennamen überein, ist jedoch in keinem praktischen Sinne mehr damit verbunden. Tatsächlich ist es lange her, dass unsere geometrische Skala der Prozessorknoten mit der Kurve übereinstimmte, wenn wir hätten weitermachen können. Ja wirklich Reduzierung der Feature-Größe.

2010-ITRS-Zusammenfassung

Weit unter 1 nm vor 2015? Angenehme Fantasie.

Wenn wir die Anforderungen an die geometrische Skalierung erfüllt hätten, um Knotennamen und tatsächliche Feature-Größen synchron zu halten, wären wir vor sechs Jahren unter 1 nm Fertigung gesunken. Die Zahlen, mit denen wir jeden neuen Knoten angeben, sind nur Zahlen, die Unternehmen auswählen. Im Jahr 2010 bezeichnete das ITRS (mehr dazu gleich) die Gruppe der Tech-Buddies, die in jeden Knoten eingegossen wurden, als “äquivalente Skalierung”. Wenn wir uns dem Ende der Nanoskala nähern, können Unternehmen anfangen, sich auf Angström anstatt auf Nanometer zu beziehen, oder wir können einfach anfangen, Dezimalstellen zu verwenden. Als ich anfing, in dieser Branche zu arbeiten, war es weitaus üblicher, dass Journalisten Prozessknoten in Mikrometern anstatt in Nanometern bezeichneten – beispielsweise 0,18 Mikrometer oder 0,13 Mikrometer anstelle von 180 nm oder 130 nm.

Wie der Markt fragmentiert war

Die Herstellung von Halbleitern ist mit enormen Investitionen und viel langfristiger Forschung verbunden. Der durchschnittliche Zeitraum zwischen der Einführung eines neuen Technologieansatzes für ein Papier und dem Erreichen einer großtechnischen kommerziellen Fertigung liegt in der Größenordnung von 10 bis 15 Jahren. Vor Jahrzehnten erkannte die Halbleiterindustrie, dass es für alle von Vorteil wäre, wenn es eine allgemeine Roadmap für die Einführung von Knoten und die Merkmalsgrößen gäbe, auf die diese Knoten abzielen würden. Dies würde die breite und gleichzeitige Entwicklung aller Puzzleteile ermöglichen, die erforderlich sind, um einen neuen Knoten auf den Markt zu bringen. Seit vielen Jahren veröffentlicht das ITRS, die internationale Technologie-Roadmap für Halbleiter, eine allgemeine Roadmap für die Branche. Diese Roadmaps erstreckten sich über 15 Jahre und setzten allgemeine Ziele für den Halbleitermarkt.

SemiconductorRoadmap

Bild von Wikipedia

Das ITRS wurde zwischen 1998 und 2015 veröffentlicht. Von 2013 bis 2014 wurde das ITRS in ITRS 2.0 umstrukturiert, erkannte jedoch bald, dass der Umfang seines Mandats darin besteht, „die künftige Hauptreferenz für Universitätsforscher, Konsortien und Industrielle fördern Innovationen in verschiedenen Technologiebereichen. “Die Organisation musste ihren Umfang und ihre Reichweite drastisch erweitern. Das ITRS wurde zurückgezogen und eine neue Organisation namens IRDS – International Roadmap for Devices and Systems – mit einem viel breiteren Mandat gegründet, das ein breiteres Spektrum von Technologien abdeckt.

Diese Verschiebung von Umfang und Fokus spiegelt wider, was in der Gießereiindustrie geschehen ist. Der Grund, warum wir die Verknüpfung von Gate-Länge oder Halbton mit der Knotengröße eingestellt haben, ist, dass sie die Skalierung gestoppt haben oder viel langsamer mit der Skalierung begonnen haben. Als Alternative haben Unternehmen mehrere neue Technologien und Fertigungsansätze integriert, um eine kontinuierliche Skalierung von Knoten zu ermöglichen. Bei 40/45 nm führten Unternehmen wie GF und TSMC die Immersionslithographie ein. Die Doppelmoral wurde bei 32 nm eingeführt. Die letzte Gate-Herstellung war ein 28-nm-Merkmal. FinFETs wurden von Intel bei 22 nm und dem Rest der Industrie am 14/16-nm-Knoten eingeführt.

Unternehmen führen manchmal Funktionen und Fähigkeiten zu unterschiedlichen Zeiten ein. AMD und TSMC führten die Immersionslithographie bei 40/45 nm ein, aber Intel wartete bis 32 nm, um diese Technik anzuwenden, und entschied sich dafür, zuerst das Doppelmuster zu implementieren. GlobalFoundries und TSMC verwendeten mehr Doppelstandards bei 32/28 nm. TSMC verwendete den letzten Gate-Build bei 28 nm, während Samsung und GF zuerst die Gate-Technologie verwendeten. Da sich der Fortschritt jedoch verlangsamt hat, verlassen sich Unternehmen mehr auf Marketing mit einer größeren Anzahl definierter “Knoten”. Anstatt über einen ziemlich großen numerischen Raum (90, 65, 45) zu kaskadieren, starten Unternehmen wie Samsung Knoten, die numerisch übereinander liegen:

Ein wichtiger Unterschied zwischen TSMC und Samsung bei 3 nm: Samsung wird GAAFET (Gate-All-Around-FET) implementieren, während TSMC FinFET weiterhin für eine andere Generation verwenden wird.

Ich denke, Sie können argumentieren, dass diese Produktstrategie nicht sehr eindeutig ist, da es keine Möglichkeit gibt zu wissen, welche Prozessknoten Varianten früherer Knoten sind, es sei denn, Sie haben das Diagramm zur Hand.

Während die Knotennamen nicht sind gebunden Bei jeder spezifischen Feature-Größe und einigen Features, die nicht mehr skaliert werden können, suchen Halbleiterhersteller immer noch nach Möglichkeiten, wichtige Metriken zu verbessern. Das ist eine echte technische Verbesserung. Da es jedoch schwieriger ist, die Vorteile zu nutzen, und die Entwicklung länger dauert, experimentieren Unternehmen mehr mit diesen Verbesserungen. Samsung beispielsweise führt viel mehr Knotennamen ein als früher. Das ist Marketing.

Warum behaupten die Leute, dass Intel 10nm und TSMC / Samsung 7nm gleichwertig sind?

Weil die Herstellungsparameter für den 10-nm-Prozess von Intel sehr nahe an den Werten liegen, die TSMC und Samsung für einen sogenannten 7-nm-Prozess verwenden. Die folgende Tabelle stammt aus WikiChip, kombiniert jedoch die bekannten Funktionsgrößen für den 10-nm-Knoten von Intel mit den bekannten Funktionsgrößen für den TSMC- und den 7-nm-Knoten von Samsung. Wie Sie sehen können, sind sie sehr ähnlich:

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Bild von ET, zusammengestellt aus Daten zu WikiChip

Die Spalte Delta 14nm / Delta 10nm zeigt, um wie viel jedes Unternehmen ein bestimmtes Merkmal gegenüber seinem vorherigen Knoten reduziert hat. Intel und Samsung haben einen engeren Mindestmetallabstand als TSMC, aber die hochdichten SRAM-Zellen von TSMC sind kleiner als die von Intel, was wahrscheinlich die Bedürfnisse verschiedener Kunden in der taiwanesischen Gießerei widerspiegelt. Inzwischen sind Samsungs Zellen noch kleiner als die von TSMC. Insgesamt erreicht der 10-nm-Prozess von Intel jedoch viele der wichtigsten Messgrößen, wie sie sowohl von TSMC als auch von Samsung als 7-nm-Prozess bezeichnet werden.

Einzelne Chips können aufgrund bestimmter Designziele noch Eigenschaften aufweisen, die von diesen Größen abweichen. Die Informationen, die Hersteller zu diesen Nummern bereitstellen, beziehen sich auf eine typische Implementierung, die auf einem bestimmten Knoten erwartet wird, und nicht unbedingt auf eine genaue Übereinstimmung für einen bestimmten Chip.

Es gab Fragen, wie genau Intels Prozess von über 10 nm (für Ice Lake verwendet) diese Zahlen widerspiegelt (von denen ich glaube, dass sie für Cannon Lake veröffentlicht wurden). Die erwarteten Spezifikationen für den 10-nm-Knoten von Intel haben sich möglicherweise geringfügig geändert, aber 14 nm + war auch eine 14-nm-Einstellung.

Wir wissen noch nicht, wie der bevorstehende 7-nm-Prozess von Intel mit den 5-nm- und 3-nm-Prozessknoten verglichen wird, die von TSMC und Samsung verfügbar sein werden, wenn der Intel-Knoten fertig ist. Intel hat erklärt, dass es die Prozessführerschaft bei 5 nm wiedererlangen will. Der beste Fall für den Start dieses Knotens ist wahrscheinlich Ende 2024 – Anfang 2025.

Alles zusammenfügen

Der beste Weg, die Bedeutung eines neuen Prozessknotens zu verstehen, besteht darin, ihn als allgemeinen Begriff zu betrachten. Wenn eine Gießerei über die Implementierung eines neuen Prozessknotens spricht, läuft das, was sie sagen, auf Folgendes hinaus:

„Wir haben ein neues Herstellungsverfahren mit kleineren Merkmalen und engeren Toleranzen geschaffen. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir neue Fertigungstechnologien integriert. Wir bezeichnen diesen Satz neuer Fertigungstechnologien als Prozessknoten, weil wir einen allgemeinen Begriff wollen, der es uns ermöglicht, die Idee des Fortschritts und der verbesserten Kapazität zu erfassen. “

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