قليلا عن معايير التصميم والدوائر الصغيرة تفعل ذلك بنفسك

قبل بضعة أيام ، أعلنت شركة إنتل أن مشاكل التصنيع (العائد غير الكافي) أجبرتها على تحويل بداية الإنتاج التجاري بمعايير تصميم 10 نانومتر من نهاية هذا العام إلى بداية العام التالي. وقد بدأت شركة TSMC بالفعل الإنتاج الضخم من 7 نانومتر ، مع خمسة عشر مشروعًا هذا العام. هذا جانب واحد من العملة.

الجانب الآخر هو ترجمة أمس لمقال عن تلميذ من الولايات المتحدة الأمريكية فعل ما فشل BarsMonster وأنتج رقاقة في المرآب. بمعايير التصميم 175 ميكرون!

في التعليقات على هذه الترجمة ، كان هناك عدد من الأسئلة "متى سيكون من الممكن شراء معالج مفتوح المصدر؟" ، "متى ستظهر الطابعات ثلاثية الأبعاد للدوائر الصغيرة؟" ، وقررت أن أسلط الضوء قليلاً على ما يحدث مع معايير التصميم بين 10 نانومتر و 175 ميكرون ، بما في ذلك ما يتعلق بإمكانية وصولهم إلى الهواة والشركات الصغيرة.

المفسد: ASIC للتعدين مكلف للغاية (عشرات الملايين من الدولارات).

هل يتم إنتاج شيء على الإطلاق وفقًا لمعايير التصميم القديمة؟

ما هي معايير التصميم بشكل عام؟ بالمعنى الكلاسيكي ، تعني عبارة "معايير التصميم للمقاييس النانوية X" أن طول بوابة الترانزستور هو نفس المقاييس النانومترية X. بدءًا من نقطة ما (أقل من 20 نانومتر) ، توقف انخفاض حجم الترانزستورات (المعروف أيضًا بقانون مور) عن العمل ، اضطررت إلى اختراع حيل مختلفة (على سبيل المثال ، FinFET) ، ولكن المسوقين كانوا لا يرحمون: الرقم الثمين يحتاج إلى مزيد من الانخفاض. لذلك ، في العمليات الحديثة 10 نانومتر ، يبلغ طول القناة الفعلي 20 نانومتر. لكن الأهم من ذلك ، أنه خلال العقود الأولى من وجوده ، دفع قانون مور صناعة أشباه الموصلات إلى الأمام ، ليس فقط لأن الأقل هو أكثر انحدارًا ، ولكن أيضًا لأن كل ترانزستور في الجيل التالي من معايير التصميم كان أرخص من السابق. أي أنه مقابل نفس المال على شريحة من نفس الحجم كان من الممكن وضع المزيد من الوظائف. لكن هذا انتهى ، وكان 28 نانومتر معايير التصميم مع أرخص الترانزستور ، وبعد ذلك بدأت الترانزستورات في الارتفاع في السعر. وقد أدى هذا بدوره إلى حقيقة أن التحول إلى معايير التصميم المتقدمة أصبح بالنسبة للعديد من التطبيقات غير مؤاتٍ اقتصاديًا. وهذا ينطبق على الصناعات التي تستخدم فيها معايير التصميم الصغيرة تقليديًا على نطاق واسع ، ولكن هناك أيضًا تطبيقات حيث لم تكن هناك حاجة إليها على أي حال.

دعونا نلقي نظرة على تخفيضات مبيعات أكبر مصنع TSMC في العالم (حوالي نصف السوق بالكامل). أحد أرباع عام 2015 في المقدمة ، 2009 في الأسفل.



ماذا نرى في هذه الرسوم البيانية؟ حقيقة أنه في عامي 2009 و 2015 ، جلبت أنحف معايير التصميم لشركة TSMC نصف الإيرادات فقط ، وأن 15-20 في المائة تجلب التكنولوجيا قبل عقد على الأقل! على مخطط عام 2009 ، هناك 4 ٪ من 40 نانومتر ، لكننا سنهملهم من أجل البساطة ، لأن هذه كانت الأسابيع الأولى بعد إطلاق التكنولوجيا.

يمكنك أيضًا ملاحظة من هذه الرسوم البيانية أنه على مدى سبع سنوات انخفضت حصة العملية التكنولوجية 130/110 نانومتر ثماني مرات و 90 نانومتر - خمس مرات و 65 نانومتر و 180/150 نانومتر - مرتين فقط. هذا واضح بشكل خاص على الرسم البياني لعام 2015 - القطاعات ذات الزيادة في معايير التصميم تضيق وتضيق ، ثم هناك قطاع واحد واسع.

ألاحظ أننا نتحدث الآن عن عشرة بالمائة من إيرادات أكبر مصنع في العالم ، وهذا أكثر من إجمالي إيرادات المصنع ، الذي يحتل المركز الرابع ، وأكثر من ثمانية أضعاف هذا اللاعب المحترم في السوق مثل XFAB الألماني (الذي ، بالمناسبة ، من حيث المبدأ لا تكنولوجيا أقل من 130 نانومتر). كم مرة هذا أكثر من Zelenograd “Micron” ، والذي لديه أيضًا معايير تصميم 180 nm ، أخشى حتى التفكير.


في الوقت نفسه ، ينمو السوق ، كما أن الإنتاج وفقًا لمعايير التصميم القديمة مناسب أيضًا. علاوة على ذلك ، يتم تكليف مصانع جديدة ، تعمل بألواح "عتيقة" 200 مم.

لماذا ذلك للإجابة على هذا السؤال ، دعنا نذهب إلى موقع TSMC ، في قسم "التكنولوجيا" .

هناك سنرى ثلاثة أقسام فرعية: "الخطط" و "التقنيات المنطقية" و "التقنيات الخاصة". كل شيء واضح مع الخطط ، في قسم المنطق سنرى سلسلة مرتبة حسب معايير التصميم ، ولكن في قسم "التقنيات الخاصة" ... لم يتم ذكر معايير التصميم على الإطلاق! يتم فرز الأقسام الفرعية حسب التطبيق ، وفي هذا الجزء يتم تجميع الطلبات الخاصة بالرقائق الدقيقة وفقًا لمجموعة متنوعة من معايير التصميم. على سبيل المثال ، وصف لقسم التكنولوجيا للدوائر التناظرية:

"تقدم محفظة العمليات التناظرية الشاملة للشركة خيارات من 0.5 ميكرومتر إلى 16 نانومتر للتطبيقات بما في ذلك الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وإلكترونيات السيارات وأجهزة الكمبيوتر والصوت والمعدات الطبية الإلكترونية والأجهزة المنزلية."

فكر في الأمر! في عام 2018 ، يعلن أكبر مصنع ومشرع ورائد في العالم بشكل روتيني عن إنتاج 500 نانومتر. لماذا؟ لأنه قابل للحياة اقتصاديا.

تتضاعف تكلفة تصنيع دائرة متكاملة مع كل خطوة جديدة من معايير التصميم ، والفرق بين 28 نانومتر و 180 نانومتر هو عشرات المرات. عندما تصمم بطاقة رسومية تخطط لبيعها بمئات الملايين من القطع ، فإن تكلفة الشريحة ليست بهذه الأهمية (ولكن بالمناسبة ، تكلفة البرامج الأكثر تكلفة ، وحالات محددة ، وما إلى ذلك تلعب دورًا) ، ولكن إذا كنت ستفرج عن عشرة آلاف فقط أسيك صعب للتحكم في محول DC / DC ، الفرق بين 180 و 350 نانومتر قد يحدد جيدا استرداد المنتج الخاص بك.

خاصة إذا كان منتجك ليس رقميًا بحتًا. موقع TSMC ليس مفتوحًا جدًا للغرباء ، ولكن ليس بمفردهم. نذهب إلى موقع مصنع XFAB ، بالمناسبة مشهور جدًا في روسيا. يحتوي قسم "التكنولوجيا" على قائمة طويلة ، مع العديد من الخيارات لكل معيار تصميم. عملية واحدة للدوائر التناظرية ، وأخرى للطاقة ، في الثالثة هناك أجهزة كشف ضوئية مدمجة ...

إذا قمت بفتح ورقة البيانات الخاصة بتقنية معالجة XP018 (180 نانومتر) ، فسوف نرى العشرات من أنواع الترانزستورات في الداخل ، والعديد من المقاومات والمكثفات. في هذه الحالة ، انتبه إلى القيمة الحدية لـ Vgs - الجهد عند بوابة الترانزستور ، لن يكون هناك فقط وليس من المتوقع كثيرًا لـ 180 نانومتر 1.8 فولت ، ولكن أيضًا 5 فولت! في الواقع ، هذه العملية التقنية ليست فقط 180 نانومتر ، يمكن تنفيذها على رقاقة واحدة 180 نانومتر للترانزستورات للمنطق السريع والمنخفض الطاقة ، و 500 نانومتر للترانزستورات للدوائر التناظرية ودوائر المدخلات والمخرجات ، و 1000 نانومتر مفاتيح الطاقة قادرة على العمل مع الفولتية لعشرات الفولت. ويمكن أن تحتوي TSMCs على نفس الشريحة أيضًا على 90 و 65 و 40 نانومتر من الترانزستورات ، والتي تختلف ليس فقط في الهندسة ، ولكن أيضًا في مستويات المنشطات وسماكة عازل البوابة ، والتي تحدد أوضاع تشغيل الترانزستور. عادة ما تكون التكلفة الإجمالية لإنتاج رقاقة قابلة للمقارنة مع أنحف معايير التصميم المتاحة عليها: تزداد تكلفة الأقنعة للطباعة الحجرية الضوئية بشكل غير خطي مع انخفاض في معايير التصميم ، ولكن الأقنعة الإضافية للخيارات الخشنة تزيد التكلفة بشكل خطي ، بنسبة قليلة في كل منها.

ولكن ماذا لو كان الجزء الرئيسي في مشروعك مشغولًا بالترانزستورات عالية الجهد ، وهناك القليل جدًا من المنطق؟ إذا كنت تستطيع تحمل نقل المنطق من 40 نانومتر إلى 180 ، أو من 180 إلى 600 ، يمكنك توفير الكثير من المال. وبعد إزالة المنطق 180 نانومتر ، تتحول عملية التصنيع XP018 بطريقة سحرية إلى عملية تصنيع XHB06 بمعايير تصميم تبلغ 600 نانومتر ، وفي نفس الوقت تصبح أرخص بشكل ملحوظ في التصنيع.

هذا هو المكان الذي يأتي فيه حمل هذه التقنيات التي عفا عليها الزمن بشكل يائس: لا يتطلب العالم معالجات جديدة للهواتف المحمولة فحسب ، بل يتطلب أيضًا برامج تشغيل جديدة لمصابيح LED في الفلاش ، ودوائر التحكم للمحركات الكهربائية للمركبات غير المأهولة ، ووحدات التحكم الدقيقة فقط للدمى والغسالات. وعلى سبيل المثال ، بالنسبة لسوق سريعة النمو مثل إنترنت الأشياء ، ليس من المهم إنتاجية مثل استهلاك الطاقة المنخفض ، والذي لا يمكن للتقنيات المتقدمة أن تتباهى به. ونفس TSMC تعمل بنشاط الآن ليس فقط على تطوير تكنولوجيا 5 نانومتر ، ولكن أيضًا خيارات جديدة لعملية 20 نانومتر ، والتي ستجعل الأجيال الجديدة من أجهزة إنترنت الأشياء أفضل وأرخص.

على سبيل المثال ، إعلان من Global Foundries عن تقنيتها الخاصة بإنترنت الأشياء ، توجد عشرات العمليات التكنولوجية ، من 22 إلى 180 نانومتر. حوالي 7-10 من السؤال).


كم يكلف وأين يمكنني الحصول عليه؟

أول وأهم شيء يجب فهمه: الكثير من المال (عشرات أو مئات الآلاف من الدولارات سنويًا) يكلف CAD. لكن هناك أخبار جيدة. إذا كنت لا تفكر في خيارات القرصنة ، فأولاً ، لدى عدد من الجامعات تراخيص لـ CAD (من يدري ، ربما حان الوقت لزيارة alma mater) ، وثانيًا ، وفقًا لمعايير التصميم الكبيرة ، يمكنك جمع مسار تصميم بدرجات متفاوتة من الراحة المفتوحة وجامعة تولا. هناك Electric VLSI (مجاني تمامًا ، GNU) ، وهناك محرر طوبولوجيا سحري ، وهناك محاكي إيكاروس فيريلوج ، وفي الواقع بعض الأشياء الأخرى. إن أصعب شيء هو التحقق من امتثال الطوبولوجيا لقواعد التصميم (DRC) والتحقق من مطابقة الطوبولوجيا والدائرة (LVS) ، ولكن عند 180-350-600 نانومتر ، من الواقعي جدًا جعلها في نفس VLSI الكهربائية.
من المفيد أيضًا الانتقال إلى Opencores.org ومعرفة وجود الكثير من المشاريع الجاهزة وشبه الجاهزة بدرجات متفاوتة من التعقيد. هنا ، على سبيل المثال ، يمكنك العثور على معالج openRISC القائم على المعالج السليكوني والذي تم اختباره بالفعل.

كم تكلفة الإنتاج؟

هنا السؤال الأصعب ليس حتى من أين تحصل على المال ، ولكن كيف تجعل المصنع يتحدث إليك بشكل عام. هناك محادثة خاصة حول الحقائق الروسية ، فلا فائدة من الذهاب إلى Mikron ، ولكن من المحتمل أن تكون قد اشتعلت في إنتاج منتفخ منذ زمن بريجنيف ، والذي ربما نجا أكثر من اثني عشر في أجزاء مختلفة من روسيا. أما بالنسبة للمصانع الأجنبية ، فمع احتمال 100٪ أنك ستحتاج إلى كيان قانوني ، وحتى مع ذلك ستفكر معظم المصانع ، اسأل عن خططك للإنتاج الضخم ، إلخ. الخ. معظم ، ولكن ليس كل شيء ، لذلك يمكنك المحاولة. ولا يزال بإمكانك الذهاب إلى alma mater ومحاولة القيام بذلك من خلال الجامعات ، والموقف جيد دائمًا ، وقد تكون الأسعار أكثر ولاءً.

على أي حال ، للتحقق من أداء التصميم قبل إطلاق السلسلة ، فإن معظم المصانع لديها خدمة MPW (Multi-Project Wafer) - مقابل مبلغ متواضع من المال يمنحك مساحة (عادة من 9-10 إلى 25 ملم مربع) ، ثم يجمعون الكثير من هذه المشاريع معًا ، تنتج وتصدر لكل مشارك عشرات الرقائق. هذا طريق إنتاج قياسي تستخدمه الشركات الصغيرة حول العالم. تتراوح تكلفة MPW لمعايير التصميم من 180-600 نانومتر في المصانع المختلفة في نطاق 500-1500 يورو لكل مليمتر مربع ، ويستغرق الإنتاج 3-6 أشهر. من المرجح أن تكلف الدفعة التسلسلية الصغيرة 50-200 ألف يورو ، اعتمادًا على المصنع وتفاصيل المشروع وما إلى ذلك. الخ.

بالنسبة لمعايير التصميم من 28 إلى 20 وما بعدها ، سنتحدث عن مئات الآلاف من اليورو لإطلاق اختبار وملايين للإنتاج التسلسلي.

يمكن العثور على أمثلة لأسعار MPW على موقع ويب الجامع الكبير Europractice . بالطبع ، يجب أن نضع في اعتبارنا أن هذه أسعار للجامعات ، ولكن الفرق مع أسعار البشر الفانين ليس كبيرًا جدًا.

من الممكن تمامًا للشركات الناشئة أن تجد عشرة آلاف يورو للإطلاق (ولكن ، بالطبع ، في هذه الحالة ، هذا واحد فقط وليس أكبر بند نفقة) ، ولكن بالنسبة للهواة ، قد يكون مكلفًا بعض الشيء. لكن عشرة ملليمترات مربعة هي في الواقع الكثير ، ويمكنك ربما محاولة الانضمام إلى مشروع جامعي أو العثور على عدد قليل من نفس المتحمسين وتحفيز شركة ناشئة لتنفيذ عدة مشاريع على شريحة واحدة. مرة أخرى ، هذا على أي حال أرخص من تجميع إنتاجك الخاص في المرآب ، وفي النهاية سيكون لديك ما يكفي من المرح التقني مع التغليف (إذا لم تطلبه في المصنع) وألواح الخبز ومعدات القياس.

وأخيرًا - فقط القليل عن "الطابعات ثلاثية الأبعاد للدوائر الدقيقة". مجموعة كلاسيكية من المعدات لتكاليف الإنتاج من عدة مئات الملايين من الدولارات إلى عدة عشرات المليارات ، وسيكون عليك استثمار نفس المبلغ في غرفة مناسبة ، ولكن لبعض الوقت في اليابان ، تم تطوير مشروع Minimal Fab ، والهدف النهائي منه هو إمكانية إنتاج الرقائق بشكل فردي على الأقل ، بدون غرفة نظيفة ومتطلبات البنية التحتية المعقدة ، ولعدة أوامر من حجم أقل من المال. إذا نجح كل شيء ، فسيكون هذا معلمًا مهمًا جدًا في تاريخ صناعة أشباه الموصلات ، وسيجعله أكثر سهولة ومرونة.



لذلك ، وفقا للمؤلفين ، سيبدو.

أنا لا أتابع هذا المشروع بالتفصيل ، ولكن في العام الماضي كان ممثلوه بالفعل في المعارض والمؤتمرات الصناعية الروسية ، والتفاوض عن طريق الإمدادات. بقدر ما أفهم ، هم الآن قريبون بالفعل من ضمان دورة إنتاج كاملة ، ونحن نتحدث عن معايير التصميم في النطاق بين 500 و 100 نانومتر.