Polovodičový gigant dosahuje mimoriadne nízku chybovosť pripravovanej výroby

Najväčší svetový výrobca pokročilých mikročipov, taiwanská spoločnosť TSMC oznámila, že chybovosť jej pripravovanej výroby novej technológie je mimoriadne nízka. Tento parameter merajú počtom takzvaných „defektov“, teda porúch vzniknutých na plátku polovodiča nazývaného „wafer“, počas výroby funkčných štruktúr výsledného mikročipu.

Začiatok výroby čipov pomocou nového procesu N2 pripravujú na druhú polovicu tohto roku. V súčasnej dobe vyrábajú najpokročilejšie čipy tejto firmy procesom N3 či jeho vyspelejšími verziami N3E alebo N3P. Sú určené napríklad pre zariadenia spoločnosti Apple, či pre karty urýchľujúce úlohy umelej inteligencie od firmy Nvidia. Výrobu v TSMC však využíva aj Intel, ktorý pripravuje vlastný proces 18A.

Výrobu čipov novým procesom plánujú začať v štvrtom kvartáli 2025. Medzi prvé produkty by mali patriť serverové procesory EPYC s kódovým označením „Venice“ či nové mobilné čipové systémy pre Apple.

TSMC tvrdí, že v porovnateľnom období, teda približne tri kvartály pred začiatkom výroby, všetky predchádzajúce procesy, medzi ne patria N3, N5 či N7, mali chybovosť vyššiu. Tá potom počas výroby klesá, ako „vychytávajú“ jednotlivé výrobné problémy.    

N2 obsahuje nové tranzistory

Nový proces je pritom výraznou zmenou oproti predchádzajúcim. Miesto tradičnejších tranzistorov FinFET je tvorený tranzistormi GAAFET.

Prvý typ tejto základnej súčiastky je typický tým, že hradlo, čo je elektróda, cez ktorú sa riadi množstvo prúdu pretekajúce tranzistorom, obklopuje štruktúru z troch strán. Zvyšné dve elektródy, cez ktoré sa prúd privádza (source) a odvádza (drain), potom tvoria niečo podobné krídelkám (fins).

Druhý druh tranzistoru označujú „hradlo všade naokolo“ (gate all around - GAA) práve preto, lebo táto elektróda obklopuje spojnicu zvyšných dvoch elektród po všetkých štyroch stranách. Výroba takéhoto druhu tranzistoru je komplikovanejšia, pre malé veľkosti štruktúr je však výhodnejší.

Čím nižšia chybovosť, tým viac čipov vyrobia

Dosiahnutie malého množstva defektov je dôležité pre ekonomickú stránku výroby mikročipov. Aj jedna porucha v čipe môže znefunkčniť celú súčiastku. Súčasné integrované obvody tvoria miliardy tranzistorov, stačí ak jeden z nich, umiestnený na dôležitom mieste, je nefunkčný a celý mikročip môžeme vyhodiť.

Defekty môžu spôsobiť napríklad čiastočky prachu. Tranzistor môže byť poškodený už vtedy, ak porucha zasiahne približne pätinu veľkosti jeho dôležitej časti. Superčisté prostredie so vzduchom filtrovaným lepšie ako na operačnej sále a s ľuďmi v špeciálnom oblečení je preto nutnou podmienkou na výrobu mikročipov.      

Dôležitým parametrom je „výťažnosť“ (yield), tá určuje pomer počtu funkčných mikročipov k celkovému počtu vyrobených. Tá výrazne závisí napríklad aj od veľkosti čipu, čím je výsledná súčiastka väčšia, tým väčšia je aj pravdepodobnosť, že na jej plochu sa dostane porucha a čip sa tak stane nefunkčným.

Priemerná výťažnosť rastie s postupným zavádzaním výroby a odstraňovaním jednotlivých nedostatkov. Na začiatku sa môže pohybovať iba okolo 30 percent, kým dlhodobý proces vylepšovania môže toto číslo doviesť až k deväťdesiatke.

Vysoká výťažnosť znižuje ceny

S výťažnosťou súvisí aj cena výsledného čipu. Polovodičová výroba je nesmierne investične náročná. Vyžaduje nielen budovanie nových tovární, ale aj permanentné udržiavanie čistého prostredia, dodávku čistých surovín a vysoko kvalifikovaných pracovníkov v prevádzke. Výroba mikročipov je charakteristická aj vysokou spotrebou elektriny a vody.

Predávať sa však vo väčšine prípadov dajú len bezchybné čipy, tie prinášajú prostriedky na návrat investovaného kapitálu. Len niekedy je možné speňažiť aj čiastočne poškodené mikročipy, napríklad osemjadrový mikroprocesor sa dá poslať na trh ako šesťjadrový s dvomi jadrami vypnutými z dôvodu porúch.

Výroba mikročipov s vysokou výťažnosťou je tak dôležitý konkurenčný parameter, ktorý výsledné čipy dokáže zlacniť. Práve tým trpí Intel, ktorý síce vyvinul nový proces 18A, jeho výťažnosť však nedosahuje požadovanú hodnotu.

Netreba však zabúdať ani na fakt, keď novšie procesy s menšími detailmi sú drahšie ako predchádzajúce. Najlacnejšou výrobou je tak v súčasnosti charakteristická 28-nanometrová technológia, ktorá bola na špičke v roku 2010.

Číslo už dávno nie je veľkosť konkrétneho rozmeru

V dobách, keď sa ako základné súčiastky mikročipov používali takzvané „planárne“ tranzistory riadené poľom (field effect transistor – FET), dala sa vyspelosť výrobného procesu posudzovať podľa jedného zo základných rozmerov tohto komponentu.

Najčastejšie používali veľkosť hradla. Čím bola menšia, tým mohli byť menšie aj výsledné tranzistory a na rovnakú plochu čipu sa ich zmestilo viac. Planárne tranzistory však v pokročilých čipoch prestali používať približne od roku 2011, keď ich nahradili FinFET aj GAAFET. Vzhľadom k „trojrozmerným“ štruktúram takýchto tranzistorov neexistuje jediný rozmer, ktorý by sme mohli vybrať ako zjednodušené číslo vhodné do názvu.

Odhaduje sa však, že už od roku 1997, vtedy bola špičkovým procesom 180-nanometrová technológia, ktorou Intel vyrábal napríklad Pentium III, číslo prestalo zodpovedať konkrétnym rozmerom a stalo sa viac-menej marketingovou informáciou.

Ani ďalší parameter nazývaný „polovica rozostupu“ (half-pitch), ktorý je určený vzdialenosťou rovnakých štruktúr na čipe, dnes už veľmi nepoužívajú.

Porovnávanie výrobcov sa stáva komplexnou úlohou

Pri porovnávaní procesov jednotlivých výrobcov treba odfiltrovať „reklamštinu“ a sústrediť sa na konkrétne technické parametre príslušnej technológie. Ide napríklad o počet prvkov na jednotku plochy čipu, maximálnu rýchlosť či nízku spotrebu. Tieto parametre sa pri novších procesoch zlepšujú.

Napríklad sedemnanometrový proces od TSMC či Samsungu je kompatibilný s desaťnanometrovou technológiou Intelu. Sedemnanometrový Intel pritom zodpovedá asi piatim nanometrom ostatných výrobcov.

Aj samotná sedemnanometrová technológia však neobsahuje ani jeden konkrétny rozmer s takouto veľkosťou. Polovica rozostupu sa pohybuje v rozsahu 15 až 18 nanometrov, dĺžka hradla je 20 nanometrov, rozostupy hradiel jednotlivých tranzistorov pritom dosahujú až 54 nanometrov.

Z tohto pohľadu treba hodnotiť aj nový proces nazvaný N2. Žiadny konkrétny rozmer síce nebude dosahovať dva nanometre, rozmery najmenších detailov však oproti procesom z rodiny N3 poklesnú.

TSMC odhaduje, že rýchlosť vzrastie o 10 až 15 percent, spotreba pri rovnakej rýchlosti poklesne o 25 až 30 percent a hustota súčiastok vzrastie asi 1,15-násobne.