COMPUTING

¿Cómo se definen los nodos de proceso?

Hablamos mucho sobre los nodos de proceso en ExtremeTech, pero a menudo no nos referimos a lo que técnicamente es un nodo de proceso. es. Con el nodo de 10nm de Intel ahora en producción y TSMC + Samsung hablando de futuros nodos de 5nm, es un buen momento para revisar el tema, en particular la cuestión de cómo TSMC y Samsung se comparan con Intel.

Los nodos de proceso generalmente se nombran con un número seguido de la abreviatura de nanómetro: 32 nm, 22 nm, 14 nm, etc. No existe una relación objetiva fija entre ninguna característica del UPC y el nombre del nodo. Este no fue siempre el caso. Desde aproximadamente la década de 1960 hasta finales de la de 1990, los nodos se nombraron en función de la longitud de sus puertas. Este gráfico de IEEE muestra la relación:

lithot1

Durante mucho tiempo, la longitud de la puerta (la longitud de la puerta del transistor) y el medio tono (la mitad de la distancia entre dos características idénticas en un chip) coincidieron con el nombre del nodo del proceso, pero la última vez que esto fue cierto fue 1997. El medio tono siguió coincidiendo con el nombre del nodo durante varias generaciones, pero ya no está relacionado con él en ningún sentido práctico. De hecho, ha pasado mucho tiempo desde que nuestra escala geométrica de los nodos del procesador coincidió con el aspecto que tendría la curva si hubiéramos podido continuar Realmente reducción del tamaño de las funciones.

2010-ITRS-Resumen

¿Muy por debajo de 1 nm antes de 2015? Agradable fantasía.

Si hubiéramos cumplido con los requisitos de escala geométrica para mantener sincronizados los nombres de los nodos y los tamaños de las características reales, nos habríamos hundido por debajo de 1 nm de fabricación hace seis años. Los números que usamos para indicar cada nuevo nodo son solo números que las empresas eligen. En 2010, el ITRS (más sobre ellos en un momento) se refirió al grupo de amigos de tecnología vertido en cada nodo como habilitación de “escalado equivalente”. A medida que nos acercamos al final de la escala nanométrica, las empresas pueden comenzar a referirse a angstroms en lugar de nanómetros, o simplemente podemos comenzar a usar puntos decimales. Cuando comencé a trabajar en esta industria, era mucho más común ver a los periodistas referirse a nodos de proceso en micrones en lugar de nanómetros: 0,18 micrones o 0,13 micrones, por ejemplo, en lugar de 180 nm o 130 nm.

Cómo se fragmentó el mercado

La fabricación de semiconductores implica un enorme gasto de capital y una gran cantidad de investigación a largo plazo. El tiempo medio entre el momento en que se introduce un nuevo enfoque tecnológico en un periódico y el momento en que llega a la fabricación comercial a gran escala es del orden de 10 a 15 años. Hace décadas, la industria de los semiconductores reconoció que sería ventajoso para todos si existiera una hoja de ruta general para la introducción de nodos y los tamaños de las características que esos nodos apuntarían. Esto permitiría el desarrollo amplio y simultáneo de todas las piezas del rompecabezas necesarias para llevar un nuevo nodo al mercado. Durante muchos años, el ITRS, la hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores, publicó una hoja de ruta general para la industria. Estas hojas de ruta se extendieron a lo largo de 15 años y establecieron objetivos generales para el mercado de semiconductores.

SemiconductorRoadmap

Imagen de Wikipedia

El ITRS se publicó entre 1998 y 2015. De 2013 a 2014, el ITRS se reorganizó en el ITRS 2.0, pero pronto reconoció que el alcance de su mandato, es decir, proporcionar “la principal referencia hacia el futuro para que los investigadores universitarios, consorcios e industriales estimulen la innovación en diversas áreas de la tecnología ”Requirió que la organización ampliara drásticamente su alcance y cobertura. Se retiró el ITRS y se formó una nueva organización llamada IRDS – Hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas – con un mandato mucho más amplio, que cubre un conjunto más amplio de tecnologías.

Este cambio de alcance y enfoque refleja lo que ha estado sucediendo en la industria de la fundición. La razón por la que dejamos de vincular la longitud de la puerta o el medio tono al tamaño del nodo es que dejaron de escalar o comenzaron a escalar mucho más lentamente. Como alternativa, las empresas han integrado varias tecnologías nuevas y enfoques de fabricación para permitir el escalado continuo de nodos. A 40/45 nm, empresas como GF y TSMC introdujeron la litografía por inmersión. Se introdujo un patrón doble a 32 nm. La fabricación de la última puerta fue una característica de 28 nm. Los FinFET fueron introducidos por Intel a 22 nm y el resto de la industria en el nodo de 14/16 nm.

Las empresas a veces introducen características y capacidades en diferentes momentos. AMD y TSMC introdujeron la litografía de inmersión a 40/45 nm, pero Intel esperó hasta los 32 nm para usar esa técnica, optando por implementar primero el patrón doble. GlobalFoundries y TSMC comenzaron a usar patrones dobles más a 32/28 nm. TSMC utilizó la construcción de la última puerta a 28 nm, mientras que Samsung y GF utilizaron la tecnología de la puerta primero. Pero a medida que el progreso se ha vuelto más lento, hemos visto que las empresas se apoyan más en el marketing, con una mayor variedad de “nodos” definidos. En lugar de caer en cascada sobre un espacio numérico bastante grande (90, 65, 45), empresas como Samsung están lanzando nodos que están uno encima del otro, numéricamente hablando:

Creo que puede argumentar que esta estrategia de producto no es muy clara, porque no hay forma de saber qué nodos de proceso son variantes evolucionadas de nodos anteriores a menos que tenga el gráfico a mano.

Si bien los nombres de los nodos no son atado a cualquier tamaño de característica específica, y algunas características han dejado de escalar, los fabricantes de semiconductores todavía están encontrando formas de mejorar las métricas clave. Esa es una auténtica mejora de la ingeniería. Pero debido a que las ventajas son más difíciles de conseguir ahora y tardan más en desarrollarse, las empresas están experimentando más con cómo llamar a esas mejoras. Samsung, por ejemplo, está implementando muchos más nombres de nodos de los que solía hacer. Eso es marketing.

¿Por qué la gente afirma que Intel 10nm y TSMC / Samsung 7nm son equivalentes?

Porque los parámetros de fabricación para el proceso de 10 nm de Intel están muy cerca de los valores que usan TSMC y Samsung para lo que llaman un proceso de 7 nm. El siguiente cuadro está extraído de WikiChip, pero combina los tamaños de funciones conocidos para el nodo de 10 nm de Intel con los tamaños de funciones conocidos para el nodo de 7 nm de TSMC y Samsung. Como puede ver, son muy similares:

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Imagen de ET, compilada a partir de datos a WikiChip

La columna delta 14nm / delta 10nm muestra cuánto redujo cada empresa una característica en particular desde su nodo anterior. Intel y Samsung tienen un paso mínimo de metal más estricto que TSMC, pero las celdas SRAM de alta densidad de TSMC son más pequeñas que las de Intel, lo que probablemente refleja las necesidades de diferentes clientes en la fundición taiwanesa. Mientras tanto, las celdas de Samsung son incluso más pequeñas que las de TSMC. Sin embargo, en general, el proceso de 10 nm de Intel alcanza muchas de las métricas clave como lo que tanto TSMC como Samsung llaman 7 nm.

Los chips individuales aún pueden tener características que se aparten de estos tamaños debido a objetivos de diseño particulares. La información que proporcionan los fabricantes sobre estos números es para una implementación típica esperada en un nodo dado, no necesariamente una coincidencia exacta para un chip específico.

Ha habido preguntas sobre qué tan cerca el proceso de Intel de más de 10 nm (utilizado para Ice Lake) refleja estas cifras (que creo que se publicaron para Cannon Lake). Es cierto que las especificaciones esperadas para el nodo de 10nm de Intel pueden haber cambiado ligeramente, pero 14nm + fue un ajuste de 14nm también. Intel ha declarado que todavía tiene como objetivo un factor de escala de 2.7x para 10nm en relación con 14nm, por lo que evitaremos cualquier especulación sobre cómo 10nm + pueden ser ligeramente diferentes.

Juntándolo todo

La mejor manera de comprender el significado de un nuevo nodo de proceso es pensar en él como un término general. Cuando una fundición habla de implementar un nuevo nodo de proceso, lo que dicen se reduce a esto:

“Hemos creado un nuevo proceso de fabricación con características más pequeñas y tolerancias más estrictas. Para lograr este objetivo, hemos integrado nuevas tecnologías de fabricación. Nos referimos a este conjunto de nuevas tecnologías de fabricación como un nodo de proceso porque queremos un término general que nos permita capturar la idea de progreso y capacidad mejorada “.

¿Alguna pregunta adicional sobre el tema? Déjelos abajo y les responderé.

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