2.3. Проблемы и перспективы проекта

Сейчас на рынке наблюдается интересная тенденция: с одной стороны, компании-производители стараются как можно быстрее внедрить новые техпроцессы и технологии в свои новинки, с другой же, наблюдается искусственное сдерживание роста частот процессоров. Во-первых, сказывается ощущение маркетологами неполной готовности рынка к очередной смене семейств процессоров, а фирмы еще не получили достаточно прибыли с объема продаж производящихся сейчас CPU – запас еще не иссяк. Достаточно заметно превалирование значимости цены готового изделия над всеми остальными интересами компаний. Во-вторых, значительное снижение темпов «гонки частот» связано с пониманием необходимости внедрения новых технологий, которые реально увеличивают производительность при минимальном объеме технологических затрат. Как уже было замечено, производители столкнулись с проблемами при переходе на новые техпроцессы.  Технологическая норма 90 нм оказалась достаточно серьезным технологическим барьером для многих производителей чипов. Это подтверждает и компания TSMC, которая занимается производством чипов для многих гигантов рынка, таких как компании AMD, nVidia, ATI, VIA. Долгое время ей не удавалось наладить производство чипов по технологии 0,09 мкм, что привело к низкому выходу годных кристаллов. Это одна из причин, по которой AMD долгое время переносила выпуск своих процессоров с технологией SOI (Silicon-on-Insulator). Задержки связаны с тем, что именно на этой размерности элементов стали сильно проявляться всевозможные ранее не столь сильно ощутимые негативные факторы: токи утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышение тепловыделения. Разберемся по порядку. Как известно, существует два тока утечки: ток утечки затвора и подпороговая утечка. Первая вызвана самопроизвольным перемещением электронов между кремниевым субстратом канала и поликремневым затвором. Вторая – самопроизвольным перемещением электронов из истока транзистора в сток. Оба эти эффекта приводят к тому, что приходится поднимать напряжение питания для управления токами в транзисторе, а это негативно сказывается на тепловыделении. Так вот, уменьшая размеры транзистора, мы прежде всего уменьшаем его затвор и слой диоксида кремния (SiO2), который является естественным барьером между затвором и каналом. С одной стороны, это улучшает скоростные показатели транзистора (время переключения), но с другой – увеличивает утечку. То есть, получается своеобразный замкнутый круг. Так вот переход на 90 нм – это очередное уменьшение толщины слоя диоксида, и одновременно увеличение утечек. Борьба с утечками – это опять же, увеличение управляющих напряжений, и, соответственно, значительное повышение тепловыделения. Все это привело к задержке внедрения нового техпроцесса со стороны конкурентов рынка микропроцессоров – Intel и AMD. Один из альтернативных выходов – это применение технологии SOI (кремний на изоляторе), которое недавно внедрила компания AMD в своих 64-разрядных процессорах. Впрочем, это стоило ей немало усилий и преодоление большого количества попутных трудностей. Зато сама технология предоставляет громадное количество преимуществ при сравнительно малом количестве недостатков. Суть технологии, в общем-то, вполне логична - транзистор отделяется от кремневой подложки еще одним тонким слоем изолятора. Плюсов - масса. Никакого неконтролируемого движения электронов под каналом транзистора, сказывающегося на его электрических характеристиках - это раз. После подачи отпирающего тока на затвор, время ионизации канала до рабочего состояния (до момента, пока по нему пойдет рабочий ток) сокращается, то есть, улучшается второй ключевой параметр производительности транзистора, время его включения/выключения - это два. Или же, при той же скорости, можно просто понизить отпирающий ток - это три. Или найти какой-то компромисс между увеличением скорости работы и уменьшением напряжения. При сохранении того же отпирающего тока, увеличение производительности транзистора может составить вплоть до 30%, если оставить частоту той же, делая упор на энергосбережение, то там плюс может быть и большим - до 50 %. Наконец, характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор - более устойчивым к спорадическим ошибкам, вроде тех, что вызывают космические частицы, попадая в субстрат канала, и непредвиденно ионизируя его. Теперь, попадая в подложку, расположенную под слоем изолятора, они никак не сказываются на работе транзистора. Единственным минусом SOI является то, что приходится уменьшать глубину области эмиттер/коллектор, что прямо и непосредственно сказывается на увеличении ее сопротивления по мере сокращения толщины. И наконец, третья причина, которая способствовала замедлению темпов роста частот – это низкая активность конкурентов на рынке. Можно сказать, каждый был занят своими делами. AMD занималась повсеместным внедрением 64-битных процессоров, для Intel это был период усовершенствования нового техпроцесса, отладки для увеличенная выхода годных кристаллов⁹.

На конференции ISSCC-2011, посвященной достижениям разработчиков в области создания новейших интегральных микросхем, Оу-Хьюн Квон, президент полупроводникового подразделения Samsung Electronics Co., коснулся четырех проблем разработки микросхем:

1. Энергопотребление

Известно, что микросхемы потребляют большое количество энергии. При переходе от 180- к 90-нм нормам проектирования производители микросхем получили возможность снизить потребление динамической мощности на 30%. Однако ниже 90 нм стало труднее снижать рабочее напряжение из-за хорошо известных эффектов короткого канала. Индустрия продолжает бороться с током утечки затвора. Для решения этой задачи ведущим поставщикам полупроводников придется перейти на технологию high-k/metal, которая позволит уменьшить потребление на 20%. Однако одной этой меры недостаточно – энергопотребление требуется снижать ежегодно на 20% в течение следующих 10 лет.

2. Транзистор и память следующего поколения

При размерах элементов схемы ниже 20 нм прежняя структура планарных транзисторов не годится. Кандидатами на транзисторы следующего поколения являются многозатворные FinFET, полностью обедненный кремний на изоляторе (FDSOI), 3D-устройства и др.

По словам Квона, FinFET-транзисторы – «достойные кандидаты» на роль новой технологии при нормах ниже 20 нм. Например, сочетание FinFET с технологией high-k позволит снизить потребление на 10%, увеличив производительность на 20%.

До сих пор не ясно, насколько масштабируема сегодняшняя технология памяти DRAM, NAND и NOR. Samsung разрабатывает на замену нынешней ряд технологий следующего поколения, например, 3D NAND, MRAM, PRAM и ReRAM.  Однако поставщики памяти без особого энтузиазма относятся к идее разработке технологии следующего поколения. Квон призвал ОЕМ-производителей больше сотрудничать с поставщиками в этом вопросе.

3. Переход на 3D-кристаллы

Появление 3D-устройств на основе технологии TSV (Through Silicon Via – сквозные отверстия в кремнии) откладывается, однако на конференции ISSCC компания Samsung заявила о разработке 1-Гбит DRAM с 512-выводным интерфейсом ввода-вывода для таких приложений как смартфоны и планшеты. Этот кристалл был создан с помощью 50-нм техпроцесса.

По заявлению Samsung, он будет установлен в 3D-корпус с использованием TSV-технологии, а поставки этого изделия намечены на 2013 г.

Широкий интерфейс памяти, созданный на базе TSV-технологии, позволяет существенно снизить энергопотребление (до 75%) за счет уменьшения емкости нагрузки цепей межсоединений и ввода-вывода.

4. В проектировании схем требуются прорывные решения

К числу обычно используемых методов построения малопотребляющих цепей относятся clock gating, clock-tree gating, power gating, multi-threshold/multi-channel libraries и voltage islands. Однако структуры цепей, чувствительные к вариациям параметров процесса, ведут себя нестабильно при низком напряжении, что ограничивает возможности его дальнейшего масштабирования.

Например, встраиваемая SRAM-память весьма чувствительна к вариациям параметров процесса. Чтобы решить эту проблему, разработчики используют разные методы. Например, для повышения стабильности ячейки SRAM оснащаются специальными цепями «помощи при чтении» (read-assist) и «помощи при записи» (write-assist)¹⁰.

Однако несмотря на проблемы, НПО «Ангстрем» и «Ангстрем-Т» подписали стратегическое соглашение с корпорацией IBM. Американская компания лицензирует «Ангстрему» технологию производства микросхем с топологическим размером 90 нм, сообщили компании. Российское предприятие планирует запустить производство процессоров и датчиков для индустриального сектора и производителей потребительской электроники. «Мы ожидаем, что следующей логической ступенью сотрудничества с “Ангстремом” могут быть технологии сборки интегральных схем», — цитируются в сообщении слова руководителя направления по исследованиям и интеллектуальной собственности IBM Сиамака Киа.

Финансирование строительства производства по технологии 90 нм берет на себя ВЭБ. Сумма сделки с IBM не раскрывается. Представитель группы «Ангстрем» Алексей Дианов уточнил «Ведомостям», что финансирование идет в рамках всего проекта «Ангстрем-Т», стартовавшего в 2008 г. Тогда ВЭБ предоставил «Ангстрем-Т» кредит на 815 млн евро на покупку оборудования AMD и строительство завода по производству микросхем 110-130 нм. Из этих средств компании было перечислено около 300 млн евро, которые пошли на оплату лицензии и оборудования.

«Ангстрем-Т» планировал запустить фабрику на оборудовании AMD еще в конце 2008 г. Но из-за кризиса она так и не заработала, а оборудование AMD до сих пор хранится на складе в Нидерландах. А в 2010 г. ВЭБ пригрозил забрать в собственность залог — 100% «Ангстрем-Т» с оборудованием AMD и лицензиями. Ситуацию спас бывший министр связи Леонид Рейман, летом 2011 г. объявивший себя совладельцем одной из структур группы«Ангстрем». В октябре 2011 г. ВЭБ сообщил, что не только не заберет «Ангстрем-Т», но даже разморозит кредитную линию.

Никаких дополнительных вложений со стороны ВЭБа в новый проект с IBM не потребуется, говорит представитель пресс-службы госбанка. «Ангстрем», по его словам, продолжает строительство завода, а соглашение с IBM «окажет существенное положительное влияние на финансовые показателипроекта».

По словам Дианова, соглашение с IBM не отменяет планов по запуску завода на оборудовании AMD, намеченному на начало 2014 г. Одновременно заработает и производство 90 нм. Для этого будет закуплено дополнительное оборудование, производителя которого поможет выбрать IBM. Хотя часть операций, по словам Дианова, можно производить и на технике AMD.

На данный момент наиболее передовой является технология 22-28 нм, которую используют для производства чипов динамической памяти. Процесс 90 нм отстает от этой технологии на три поколения, но микросхемы, созданные по этой технологии, занимают 23% мирового рынка, а объем их продаж в 2011 г. составил $75 млрд, писал журнал PCWeek. По самой современной технологии производятся наиболее чувствительные к соотношению размер/производительность микросхемы. Они используются при создании современных компьютеров и вычислительных устройств, говорит Дианов. Но есть большой рынок для микросхем, где нужна более «крупная» топология .

«Ситроникс» запустил производство по технологии 90 нм в феврале 2012 г., уже в сентябре компания продала первые партии процессоров, рассказывает директор по маркетингу «Ситроникс микроэлектроника» Карина Абагян. В проект было инвестировано 16,5 млрд руб. (вместе с «Роснано»), затраты были оптимизированы благодаря тому, что проект базируется в одной чистой комнате с производством чипов 180 нм и частично использует его оборудование. Инвестиции в этот проект вернутся через девять лет¹¹.