Minulý týden vyšel na blogu magazínu EETimes zajímavý článek, jehož autorem je ředitel firmy MonolithIC 3D, Zvi Or-Bach. Mooreův zákon – pravidlo, že každých 12–18 měsíců se zdvojnásobí počet tranzistorů v mikročipech a podobnou křivkou roste jejich výkon – už v posledních letech ztrácí dech. Doposud jsme mohli doufat alespoň v to, že lepší poměr ceny k užitné hodnotě přinese pokračující miniaturizace tranzistorů, díky níž se na wafer vejde více čipů. Or-Bach ovšem tvrdí (a své tvrzení podkládá materiály od velikánů polovodičového průmyslu), že 28nm postup je poslední, o němž toto platí. Dále bude možné čipy zmenšovat, ale už ne zlevňovat.
Úvodem článku připomíná původní znění Mooreova zákona, který nehovoří o výkonu, překvapivě ani o počtu tranzistorů, ale o „komplexitě pro minimální cenu součástek“. Gordonu Mooreovi tedy nešlo o to, zdali lze fyzicky vyrobit čip s větším počtem tranzistorů, ale aby to bylo ekonomicky rentabilní.
FD-SOI je možným východiskem, ale na jak dlouho?
Jak tedy zvyšovat výkon a přitom snižovat cenu? Firma STMicroelectronics a se domnívá, že stagnace nebo růst výrobních nákladů je problém bulk postupů (kvůli technologiím jako HKMG nebo FinFET, které výrobu prodražují), a FD-SOI se alespoň zatím netýká. Výrobna Globalfoundries je trochu méně optimistická. Pokročilejší postupy FD-SOI sice umožní vyšší pracovní frekvenci a tím pádem vyšší výkon, čip se stejným počtem tranzistorů ale levnější nebude. Zatím také není jasné, zdali bude možné FD-SOI použít pro velikosti tranzistorů pod 14 nm. (První slajd přednesl Joël Hartmann na letošní konferenci Semi ISS, druhý je z loňského workshopu SOI Consortium v Kyotu.)
Problém si uvědomují též Nvidia, ASML a Broadcom
Rostoucí výrobní náklady vnímají i přeborníci v oblasti megalomanských čipů. Nvidia vidí jako východisko přechod na 450mm wafery, který je ovšem ještě hodně vzdálenou budoucností. Že je cena pod 28 nanometry problém, říká i dodavatel výrobního zařízení, firma ASML. Součástí jejího slajdu je graf od Broadcomu nadepsaný „cena za milion hradel“. Poslední tři sloupečky jsou 28nm, 20nm a 14nm. Cena za jedno vyrobené hradlo, nebo, chcete-li, tranzistor, už neklesá a naopak mírně roste.
Hustota pamětí SRAM neroste tak, jak bychom očekávali
Zatímco tranzistory lze stále zmenšovat (byť s problémy), paměti SRAM, používané pro cache uvnitř čipu, ve škálování zaostávají. Je-li vyžadována vysoká pracovní frekvence, výsledná hustota v Mb/mm² je na 16nm postupu jen o 10–20 % vyšší než na 28 nanometrech. Je to dáno vlastnostmi menších tranzistorů, které mají menší náboj a vyšší variabilitu, jednotlivé paměťové bloky tedy musí být menší a navíc potřebují pomocné obvody pro čtení a zápis. Pomocné a propojovací obvody stojí tranzistory a o to méně užitečných paměťových buněk lze se stejným počtem tranzistorů vyrobit.
Podobný problém představují analogové obvody, o nichž je dlouho známo, že s pokračující miniaturizací digitálních částí (tranzistorů) škálují jen málo, nebo vůbec. Představíme-li si hypotetický čip složený pouze z digitálních obvodů, po zmenšení tranzistorů o „full node“ (např. z 45 na 32 nm nebo z 28 na 16 nm) by hustota tranzistorů na plochu byla dvojnásobná. Jak se ale čip zmenšuje, zmenšují se i metalické vrstvy a tím roste jejich vodivý odpor (odborně se tomu říká BEOL RC – back end-of-line resistance/capacitance). Překonání tohoto odporu vyžaduje více analogových komponent pro zesilování a opakování signálu, takže výsledná hustota tranzistorů je vyšší přibližně jen 1,6×. (Ani toto není z Or-Bachovy hlavy, nýbrž ze slajdu od Qualcommu, který prezentoval jeho viceprezident Geoffrey Yeap na konferenci IEDM 2013.)
Pokud jste rozklikli odkaz v úvodu této aktuality, pak asi tušíte, kam Zvi Or-Bach ve svém článku směřuje – pochopitelně k přihřátí vlastní polívčičky, kterou je „monolitická 3D integrace“. Technologie, kterou vyvíjí firma MonolithIC 3D, umožňuje vyrábět mikročipy s obvody ve dvou vrstvách. Slibuje daleko větší prostorovou hustotu tranzistorů než stohování čipů s využitím můstků TSV, mimo jiné díky kratším vodivým cestám, čímž klesá potřebný počet analogových opakovačů. Zní to jako hudba hodně vzdálené budoucnosti, společnost však tvrdí, že již má první zákazníky z řad výrobců pamětí NAND Flash.
Zdroj: EETimes, MonolithIC 3D
