السباق نحو FinFETs

أدى الطلب على الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية ذات الأداء الأفضل وعمر البطارية الأطول إلى دفع الصناعة إلى ابتكار شرائح أسرع وأصغر حجمًا وتستخدم طاقة أقل. للبقاء على هذا المسار المعروف باسم قانون مور، اعتمد صانعو الرقائق في السنوات الأخيرة على سلسلة من الاختراقات التكنولوجية، وكان أحدثها الترانزستورات ثلاثية الأبعاد المعروفة باسم FinFETs.

بدأت إنتل الإنتاج مع FinFETs في أواخر عام 2011 بفضل معالجات Ivy Bridge مقاس 22 نانومتر، ومنذ ذلك الحين قامت بشحن أكثر من 500 مليون شريحة. معظمها مخصص لأجهزة الكمبيوتر الشخصية والخوادم، على الرغم من أنها تهدف إلى شحن 40 مليون معالج لوحي هذا العام، كما أنها تقدم التكنولوجيا لعملاء آخرين كمسبك. والآن تسعى المسابك الأخرى، التي تصنع الرقائق لعملاء مثل أبل، وكوالكوم، وسامسونج، وميديا ​​تيك، جاهدة للحاق بالركب.

في الأسبوع الماضي، أصدرت شركة TSMC، أكبر شركة لتصنيع الرقائق التعاقدية في العالم، إعلانين يهدفان إلى الإشارة إلى تقدمها في FinFETs. أولاً، قالت شركة TSMC إنها أنتجت معالج شبكة فعال، يحتوي على 32 نواة لوحدة المعالجة المركزية ARM Cortex-A57، لصالح شركة HiSilicon، قسم الرقائق التابع لشركة HiSilicon. هواوي. ثم، في وقت سابق من هذا الأسبوع، أعلن المسبك أن ARM 64 بت كبير. توفر شريحة الاختبار الصغيرة المصنعة باستخدام عملية FinFET مقاس 16 نانومتر سرعات مستدامة تبلغ 2.3 جيجا هرتز أنوية Cortex-A57 الكبيرة وتستخدم 75 مللي واط فقط من الطاقة مع أنوية A53 الصغيرة في الوضع النموذجي التطبيقات.

سيتم تصنيع الدفعة الأولى من الرقائق باستخدام ما تسميه TSMC 16FF. تم تأهيل هذه العملية في نوفمبر 2013 وتم تسجيل المنتجات الأولى في أبريل. (يعد الشريط اللاصق هو الخطوة الرئيسية الأخيرة في عملية التصميم قبل الإنتاج الفعلي.)

ويخطط المسبك للمتابعة بسرعة بإصدار محسن، يُعرف باسم 16nm FinFET plus أو 16FF+، والذي سيوفر زيادة أخرى بنسبة 15 بالمائة في الأداء أو طاقة أقل بنسبة 30 بالمائة من 16FF. ستوفر عملية 16FF+ زيادة بنسبة 40 بالمائة في أداء الترانزستور مقارنة بعملية 20 نانومتر مع الترانزستورات المستوية التقليدية، وسوف يضاهي أداء ترانزستورات FinFET 14 نانومتر من المسابك المنافسة، وفقا لTSMC. يجب أن تكون عملية 16FF+ جاهزة للعملاء بحلول نهاية العام، مما يعني أن أول عملية تسجيل للشريط ستكون على الأرجح في أوائل عام 2015.

يعمل المسبك حاليًا فيما يطلق عليه إنتاج المخاطر، حيث يعمل على 15 منتجًا هذا العام و45 تصميمًا آخر للرقائق في العام المقبل بما في ذلك معالجات تطبيقات الهاتف المحمول، والنطاقات الأساسية الخلوية، وSOCs الاستهلاكية، ووحدات معالجة الرسومات، ومعالجات الشبكة، والمنطق القابل للبرمجة، ووحدات المعالجة المركزية لأجهزة الكمبيوتر الشخصية و الخوادم. سيعتمد الجزء الأكبر منها على عملية الجيل الثاني 16FF+.

لقد كان أداء TSMC جيدًا من خلال عملية 28 نانومتر الحالية - ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أنها اختارت نهجًا مختلفًا للبوابات المعدنية المستوية HKMG (البوابات المعدنية عالية العزل). التي حققت نتائج أفضل - وهي بصدد ما تقول إنه أسرع منحدر في تاريخها إلى 20 نانومتر (20 بالمائة من الإيرادات هذا العام) ربع).

اختارت TSMC تقنية 16 نانومتر، التي تستخدم ترانزستورات أصغر ولكنها تحتوي على نفس الطبقات المعدنية الخلفية، كنوع من نقطة انطلاق لتسهيل الأمر. الانتقال إلى FinFETs. لن يوفر فوائد توسيع المنطقة للتقليص النموذجي، ولكنه يعزز الأداء قوة. كما أنه يستخدم 95 بالمائة من نفس الأدوات التي يستخدمها المستوى 20 نانومتر، وفي مكالمة ربع سنوية في أبريل، قال المسبك إن الإنتاج يتحسن بسرعة كبيرة لدرجة أنه قد وصل بالفعل إلى 20 نانومتر.

لذا فمن المفاجئ أن 16nm FinFETs لن يتم إنتاجها بكميات كبيرة حتى أواخر عام 2015. في المكالمة ربع السنوية في يوليو، أقر رئيس مجلس الإدارة موريس تشانغ بأن TSMC ستفقد القليل من الريادة مشاركتها مع المنافسين باستخدام 14nm FinFETs في العام المقبل، وقال إن المسبك كان يحول تركيزه بالفعل إلى 10 نانومتر. قالت TSMC أن 10 نانومتر ستوفر زيادة أخرى في السرعة بنسبة 25 بالمائة بنفس الطاقة أو انخفاضًا في الطاقة بنسبة 45 بالمائة بنفس السرعة مقارنة بـ 16FF+. بنفس القدر من الأهمية، سيكون تقليصًا حقيقيًا يوفر 2.2x كثافة الترانزستور. وللتأكيد على ذلك، أعلنت TSMC وARM اليوم أنهما سيعملان معًا على العقدة التالية ويأملان أن تكون عملية FinFET بدقة 10 نانومتر جاهزة لإخراج الشريط بحلول نهاية العام المقبل.

يبدو أن شركة Samsung تتحرك بسرعة أكبر فيما يتعلق بـ FinFETs. وبمساعدة شركة Cadence، أنتجت سامسونج أول شريحة اختبار 14 نانومتر، وهي معالج Cortex-A7، في ديسمبر 2013. تم تأهيل العملية، المعروفة باسم 14LPE، في فبراير؛ وقد أكمل المسبك عملية إزالة الشريط للعديد من المنتجات وبدأ بالفعل في التسويق التجاري المبكر الإنتاج لبعض العملاء، وفقًا لكلفن لو، مدير التسويق في مسبك سامسونج عمل.

بالمقارنة مع الترانزستورات المستوية 20 نانومتر، فإن الترانزستورات 14LPE ستوفر إما زيادة بنسبة 20 بالمائة في الأداء أو انخفاضًا بنسبة 35 بالمائة في الطاقة. في مؤتمر أتمتة التصميم الذي عقد في يونيو، عرضت سامسونج لأول مرة لوحة مرجعية مزودة بمعالج ARM مقاس 14 نانومتر، وقد تم ذلك عرض العرض التوضيحي في ARM TechCon هذا الأسبوع. سيتم تأهيل الإصدار عالي الأداء، المعروف باسم 14LPP، في غضون شهرين، وقال لو إن العديد من العملاء على وشك الانتهاء من التصميمات الأولى للرقاقة.

مرة أخرى في أبريل، أعلنت شركة GlobalFoundries أنها ستتخلى عن تطوير عملية 14XM الخاصة بها وترخيص عمليات 14LPE و14LPP من سامسونج. وقالت GlobalFoundries إن إصدار سامسونج كان في مرحلة التطوير ويوفر كثافة أعلى. وقالت الشركتان إن رقائق 14 نانومتر ستكون أصغر بنسبة تصل إلى 15 بالمائة من تلك المصنعة باستخدام عملية مستوية 20 نانومتر، في حين أن عملية FinFET مقاس 16 نانومتر من TSMC لن تقدم أي فائدة للتوسع أكثر من 20 نانومتر.

وتوفر هذه الخطوة أيضًا مصدرًا ثانيًا لتصنيع شرائح 14 نانومتر، والذي يمكن أن يكون جذابًا للعملاء. سيتم تصنيع رقائق 14 نانومتر في اثنتين من مصانع سامسونج، S2 في أوستن، تكساس، وS3 في كوريا الجنوبية، وفي Fab 8 التابع لشركة GlobalFoundries في ساراتوجا، نيويورك. تقوم شركة GlobalFoundries بالفعل بإنتاج رقائق الاختبار، وتتوقع أن تقوم بمراسلة العملاء والبدء في "إنتاج المخاطر" في وقت متأخر هذا العام مع زيادة حجم الإنتاج في الربع الأول من عام 2015، وفقا لجيسون جورس، أحد كبار مسؤولي الاتصالات. مدير.

بعد بعض التأخير، إنتل عملية 14 نانومتر مع الجيل الثاني من FinFET قيد الإنتاج بالفعل في ولاية أوريغون، وسوف تتوسع لتشمل مصانع في أريزونا وأيرلندا في وقت لاحق من هذا العام وفي عام 2015، على التوالي. من المفترض أن يبدأ المعالج الأول، وهو شريحة Broadwell Core M ذات الجهد المنخفض للغاية، في الظهور في الأجهزة اللوحية وأجهزة 2 في 1 بحلول نهاية هذا العام.

بالمقارنة مع FinFETs مقاس 22 نانومتر المستخدمة في معالجات Haswell الحالية، توفر الترانزستورات مقاس 14 نانومتر أداءً أعلى و طاقة أقل عبر مجموعة كاملة من المنتجات بدءًا من الهواتف الذكية وحتى الخوادم، مما يؤدي إلى زيادة مجمعة في الأداء بمقدار 1.6x لكل واط. لكن إنتل تؤكد أيضًا على أن عملية 14 نانومتر الخاصة بها تعد "تقليصًا حقيقيًا" مقارنة بعملية التصنيع المنافسة - وهي النقطة التي تعارضها TSMC مع الإشارة إلى أن FinFET Plus القادم بدقة 16 نانومتر يجب أن يضيق بشكل كبير تلك الفجوة.

يعد التوسع أمرًا مهمًا ولكنه يتطلب أكثر من مجرد شريحة صغيرة للفوز. تستمر شركة Intel في الهيمنة على أعمال أجهزة الكمبيوتر والخوادم، ولكن حتى الآن لم تتم ترجمة ريادتها التكنولوجية إلى نجاح في مجال الأجهزة المحمولة، كما أن أعمال المسابك الخاصة بها بدأت للتو. لا تزال المسابك القائمة، التي تحاول اللحاق بركب التكنولوجيا، تهيمن على أسواق الهواتف المحمولة ووحدات معالجة الرسومات والأسواق الأخرى، ولكنها لا تنتج العديد من وحدات المعالجة المركزية لأجهزة الكمبيوتر أو الخوادم. وعلى مدى العامين المقبلين، سنرى ما إذا كانت تقنية FinFET الناشئة ستخل بهذا التوازن.