Ein wenig über Designstandards und Do-it-yourself-Mikroschaltungen

Vor einigen Tagen gab Intel bekannt, dass Herstellungsprobleme (unzureichende Ausbeute) es zwangen, den Beginn der kommerziellen Produktion bei Designstandards von 10 nm von Ende dieses Jahres auf Anfang des nächsten Jahres zu verschieben. Und TSMC hat bereits mit der Massenproduktion von 7 nm begonnen, mit fünf Dutzend Projekten in diesem Jahr. Dies ist eine Seite der Medaille.

Die andere Seite ist die gestrige Übersetzung eines Artikels über einen Schüler aus den USA, der das getan hat, was BarsMonster versagt hat, und einen Chip in der Garage produziert hat. Mit Designstandards 175 Mikron!

In den Kommentaren zu dieser Übersetzung gab es eine Reihe von Fragen: "Wann wird es möglich sein, einen Open-Source-Prozessor zu kaufen?", "Wann werden 3D-Drucker für Mikroschaltungen erscheinen?" Und ich beschloss, ein wenig hervorzuheben, was mit Designstandards zwischen 10 nm und 175 Mikron passiert , auch in Bezug auf ihre Zugänglichkeit für Amateure und kleine Unternehmen.

Spoiler: ASIC für den Bergbau ist extrem teuer (zig Millionen Dollar).

Wird überhaupt etwas nach veralteten Designstandards hergestellt?

Was sind Designstandards im Allgemeinen? Im klassischen Sinne bedeutete der Ausdruck "Entwurfsstandards von X-Nanometern", dass die Gatelänge des Transistors dieselben X-Nanometer beträgt. Ab einem bestimmten Zeitpunkt (unter 20 nm) funktionierte die Verringerung der Größe von Transistoren (auch als Moores Gesetz bekannt) nicht mehr. Ich musste verschiedene Tricks erfinden (zum Beispiel FinFET), aber die Vermarkter waren unerbittlich: Die geschätzte Zahl muss weiter nach unten verschoben werden. Daher ist in modernen 10-nm-Prozessen die tatsächliche Kanallänge gleich 20 nm. Noch wichtiger ist jedoch, dass das Gesetz von Moore in den ersten Jahrzehnten seines Bestehens die Halbleiterindustrie voranbrachte, nicht nur, weil weniger steiler ist, sondern auch, weil jeder Transistor in der nächsten Generation von Designstandards billiger war als in der vorherigen. Das heißt, für das gleiche Geld auf einem Chip der gleichen Größe war es möglich, mehr Funktionalität zu setzen. Dies endete jedoch, und 28 nm waren die Konstruktionsstandards für den billigsten Transistor, wonach die Transistoren im Preis zu steigen begannen. Dies hat wiederum dazu geführt, dass die Umstellung auf fortschrittliche Designstandards für viele Anwendungen wirtschaftlich nachteilig geworden ist. Dies gilt für Branchen, in denen kleine Designstandards traditionell weit verbreitet sind, aber es gibt auch Anwendungen, in denen sie ohnehin nicht benötigt wurden.

Schauen wir uns den Umsatzrückgang der weltweit größten TSMC-Fabrik an (etwa die Hälfte des gesamten Marktes). Eines der Quartale 2015 ist oben, 2009 unten.



Was sehen wir in diesen Grafiken? Die Tatsache, dass in den Jahren 2009 und 2015 die beiden dünnsten Designstandards TSMC nur die Hälfte aller Einnahmen einbrachten und dass 15 bis 20 Prozent vor mindestens einem Jahrzehnt Technologie einbrachten! Auf dem Diagramm von 2009 gibt es 4% von 40 nm, aber wir werden sie der Einfachheit halber vernachlässigen, da dies die ersten Wochen nach dem Start der Technologie waren.

Sie können diesen Diagrammen auch entnehmen, dass der Anteil des technologischen Prozesses 130/110 nm über sieben Jahre achtmal, 90 nm fünfmal und 65 nm und 180/150 nm nur zweimal abnahm. Dies ist besonders deutlich auf dem Chart von 2015 zu sehen - Sektoren mit einem Anstieg der Designstandards verengen sich, verengen sich und dann gibt es einen breiten Sektor.

Ich stelle fest, dass wir jetzt über zehn Prozent des Umsatzes der größten Fabrik der Welt sprechen, und dies ist mehr als der gesamte Umsatz der Fabrik, die den vierten Platz einnimmt, und achtmal mehr als ein so angesehener Marktteilnehmer wie der deutsche XFAB (der im Prinzip übrigens keine Technologie unter 130 nm). Wie oft dies mehr ist als das Zelenograd "Micron", das auch Designstandards von 180 nm hat, habe ich sogar Angst zu denken.


Gleichzeitig wächst der Markt und auch die Produktion nach den alten Designstandards ist relevant. Darüber hinaus werden sogar neue Fabriken in Betrieb genommen, die mit „veralteten“ 200-mm-Platten arbeiten.

Warum so? Um diese Frage zu beantworten, besuchen Sie die TSMC-Website im Abschnitt „Technologie“ .

Dort sehen wir drei Unterabschnitte: "Pläne", "logische Technologien" und "Spezialtechnologien". Mit den Plänen ist alles klar, im Logikabschnitt sehen wir eine Reihe, die nach Designstandards sortiert ist, aber im Abschnitt „Spezielle Technologien“ ... werden Designstandards überhaupt nicht erwähnt! Unterabschnitte sind nach Anwendung sortiert, und in diesem Teil werden Bestellungen für Mikrochips nach einer Vielzahl von Designstandards gesammelt. Zum Beispiel eine Beschreibung des Technologieabschnitts für analoge Schaltungen:

„Das umfassende analoge Prozessportfolio des Unternehmens bietet Optionen von 0,5 bis 16 nm für Anwendungen wie Smartphones, Tablets, Automobilelektronik, Computer, Audio, elektronische medizinische Geräte und Haushaltsgeräte.“

Überleg es dir! Im Jahr 2018 wirbt die weltweit größte Fabrik, der Gesetzgeber und der Pionier routinemäßig für eine 500-nm-Produktion. Warum? Weil es wirtschaftlich ist.

Die Kosten für die Herstellung einer integrierten Schaltung verdoppeln sich mit jedem neuen Schritt der Entwurfsstandards, und der Unterschied zwischen 28 nm und 180 nm beträgt das Zehnfache. Wenn Sie eine Grafikkarte entwerfen, die Sie in Hunderten von Millionen Stück verkaufen möchten, sind die Kosten für den Chip nicht so wichtig (aber übrigens spielen die Kosten für teurere Software, bestimmte Fälle usw. eine Rolle), aber wenn Sie nur zehntausend veröffentlichen Bei einem schwierigen ASIC zur Steuerung eines DC / DC-Wandlers kann die Differenz zwischen 180 und 350 nm die Amortisation Ihres Produkts bestimmen.

Vor allem, wenn Ihr Produkt nicht rein digital ist. Die TSMC-Site ist für Außenstehende nicht sehr offen, aber nicht nur für sie. Wir gehen zum Standort der XFAB-Fabrik , die übrigens in Russland sehr beliebt ist. Der Abschnitt „Technologie“ enthält eine lange Liste mit mehreren Optionen für jeden Designstandard. Ein Prozess für analoge Schaltungen, ein anderer für die Stromversorgung, im dritten gibt es eingebaute Fotodetektoren ...

Wenn Sie das Datenblatt der XP018-Prozesstechnologie (180 nm) öffnen, sehen Sie Dutzende von Transistortypen im Inneren sowie ebenso viele Widerstände und Kondensatoren. Achten Sie in diesem Fall auf den Grenzwert von Vgs - die Spannung am Gate des Transistors, die nicht nur für 180 nm 1,8 Volt, sondern auch für 5 Volt nicht so sehr erwartet wird! Tatsächlich ist dieser technische Prozess nicht nur 180 nm, sondern kann auf einem 180-nm-Einzelchip-Transistor für schnelle Logik mit geringer Leistung, 500-nm-Transistoren für analoge Schaltungen und Eingangs- / Ausgangsschaltungen und 1000-nm-Leistungsschaltern implementiert werden Arbeiten Sie mit Spannungen von mehreren zehn Volt. TSMCs auf demselben Chip können auch 90-, 65- und 40-nm-Transistoren aufweisen, die sich nicht nur in der Geometrie, sondern auch in den Dotierungspegeln und der dielektrischen Gate-Dicke unterscheiden, die die Betriebsmodi des Transistors bestimmen. Die Gesamtkosten für die Herstellung eines Chips sind normalerweise mit den dünnsten verfügbaren Designstandards vergleichbar: Die Kosten für Masken für die Fotolithografie steigen nicht linear mit abnehmenden Designstandards, aber zusätzliche Masken für gröbere Optionen erhöhen die Kosten linear um jeweils einige Prozent.

Was aber, wenn in Ihrem Projekt der Hauptteil von Hochspannungstransistoren besetzt ist und es nur sehr wenig Logik gibt? Wenn Sie die Übertragung von Logik von 40 nm auf 180 oder von 180 auf 600 tolerieren können, können Sie viel Geld sparen. Und nach dem Entfernen der 180-nm-Logik verwandelt sich der XP018-Herstellungsprozess auf magische Weise in den XHB06-Herstellungsprozess mit Konstruktionsstandards von 600 nm, und gleichzeitig wird die Herstellung erheblich billiger.

Hier kommt die gute Arbeitsbelastung solcher hoffnungslos veralteten Technologien her: Die Welt benötigt nicht nur neue Prozessoren für Mobiltelefone, sondern auch neue Treiber für LEDs im Blitz, Steuerkreise für unbemannte Elektrofahrzeuge und nur Mikrocontroller für Dummies und Waschmaschinen. Und zum Beispiel ist für einen so schnell wachsenden Markt wie das Internet der Dinge weniger Produktivität wichtig als ein geringer Stromverbrauch, mit dem sich fortschrittliche Technologien nicht rühmen können. Und dieselbe TSMC entwickelt jetzt aktiv nicht nur die 5-nm-Prozesstechnologie, sondern auch neue Optionen für den 20-nm-Prozess, wodurch neue Generationen von IoT-Geräten besser und billiger werden.

Zum Beispiel, eine Werbung von Global Foundries über ihre Technologie für das Internet der Dinge Chips, gibt es ein Dutzend technologische Prozesse, von 22 bis 180 nm. Über 7-10 nicht in Frage).


Wie viel kostet es und wo kann ich es bekommen?

Das erste und wichtigste zu verstehen: Viel Geld (Zehntausende oder Hunderttausende von Dollar pro Jahr) kostet CAD. Aber es gibt gute Nachrichten. Wenn Sie keine Optionen für Piraterie in Betracht ziehen, haben zum einen eine Reihe von Universitäten Lizenzen für CAD-Software (wer weiß, vielleicht ist es Zeit, Alma Mater zu besuchen), und zum anderen können Sie bei großen Designstandards eine Designroute mit unterschiedlichem Komfort von Open sammeln und Universität Tula. Es gibt Electric VLSI (völlig kostenlos, GNU), einen Magic- Topologie-Editor, einen Icarus-Verilog- Simulator und vieles mehr. Am schwierigsten ist es, die Übereinstimmung der Topologie mit den Entwurfsregeln (DRC) und die Übereinstimmung der Topologie und der Schaltung (LVS) zu überprüfen. Bei 180-350-600 nm ist es jedoch durchaus realistisch, diese in derselben elektrischen VLSI durchzuführen.
Es ist auch nützlich, auf Opencores.org nachzusehen, dass es viele fertige und halbfertige Projekte mit unterschiedlichem Komplexitätsgrad gibt. Hier finden Sie beispielsweise den openRISC-Prozessor, der auf einem Prozessor mit Siliziumarchitektur basiert und bereits getestet wurde.

Wie viel kostet die Produktion?

Hier ist die schwierigste Frage nicht einmal, wo man das Geld bekommt, sondern wie man die Fabrik dazu bringt, allgemein mit Ihnen zu sprechen. Es gibt ein spezielles Gespräch über die russischen Realitäten, es ist sinnlos, nach Mikron zu gehen, aber es ist möglich, dass es seit Breschnews Zeit, die vielleicht mehr als ein Dutzend in verschiedenen Teilen Russlands überlebt hat, in der Puffproduktion ausgebrannt ist. Was ausländische Fabriken betrifft, so benötigen Sie mit einer Wahrscheinlichkeit von 100% eine juristische Person, und selbst damit denken die meisten Fabriken nach Ihren Plänen für die Massenproduktion usw. usw. Die meisten, aber nicht alle, also können Sie es versuchen. Und Sie können immer noch zu Alma Mater gehen und versuchen, sie zu durchlaufen, zu Universitäten, und die Einstellung ist immer gut, und die Preise können durchaus loyaler sein.

Um die Leistung des Designs vor dem Start der Serie zu überprüfen, verfügen die meisten Fabriken auf jeden Fall über einen MPW-Service (Multi-Project Wafer). Für einen bescheidenen Geldbetrag geben sie Ihnen eine Fläche (normalerweise 9 bis 10 bis 25 Quadratmillimeter) und sammeln dann eine Menge davon Projekte zusammen, produzieren und geben an jeden Teilnehmer mehrere Dutzend Chips. Dies ist eine Standardproduktionsroute, die von kleinen Unternehmen auf der ganzen Welt verwendet wird. Die Kosten für MPW für Konstruktionsstandards von 180-600 nm in verschiedenen Fabriken liegen im Bereich von 500-1500 Euro pro Quadratmillimeter, die Produktion dauert 3-6 Monate. Eine kleine Seriencharge kostet wahrscheinlich 50 bis 200.000 Euro, abhängig von der Fabrik, den Besonderheiten des Projekts usw. usw.

Bei Designstandards von 28 bis 20 und darüber werden wir über Hunderttausende von Euro für einen Teststart und Millionen für die Serienproduktion sprechen.

Beispiele für Preise für MPW finden Sie auf der Website des großen Hochschulaggregators Europractice . Natürlich müssen wir bedenken, dass dies Preise für Universitäten sind, aber der Unterschied zu den Preisen für bloße Sterbliche ist nicht sehr groß.

Es ist durchaus möglich, dass ein Startup zehntausend Euro für den Start findet (aber in diesem Fall ist dies natürlich nur einer und nicht der größte Kostenfaktor), aber für einen Amateur ist es wahrscheinlich ein wenig teuer. Aber zehn Quadratmillimeter sind tatsächlich eine Menge, und Sie können wahrscheinlich versuchen, sich einem Universitätsprojekt anzuschließen oder ein paar weitere der gleichen Enthusiasten zu finden und ein Startup mit einem Hacker anzuregen, um mehrere Projekte auf einem Chip zu implementieren. Auch dies ist auf jeden Fall billiger als die Montage Ihrer eigenen Produktion in der Garage, und am Ende haben Sie genug technischen Spaß mit Verpackung (wenn Sie sie nicht im Werk bestellen), Steckbrettern und Messgeräten.

Und zum Schluss noch ein wenig zu den "3D-Druckern für Mikroschaltungen". Ein klassischer Satz von Geräten für die Produktion kostet zwischen mehreren hundert Millionen Dollar und mehreren zehn Milliarden, und Sie müssen den gleichen Betrag in einen geeigneten Raum investieren. In Japan wurde jedoch seit geraumer Zeit das Minimal Fab- Projekt entwickelt, dessen letztendliches Ziel die Möglichkeit ist, Chips zumindest einzeln ohne Reinraum herzustellen und komplexe Infrastrukturanforderungen und für mehrere Größenordnungen weniger Geld. Wenn alles klappt, wird dies ein sehr wichtiger Meilenstein in der Geschichte der Halbleiterindustrie sein und sie viel zugänglicher und flexibler machen.



Den Autoren zufolge wird es also so aussehen.

Ich verfolge dieses Projekt nicht im Detail, aber letztes Jahr waren seine Vertreter bereits auf Ausstellungen und Konferenzen der russischen Industrie und haben Lieferungen ausgehandelt. Soweit ich weiß, stehen sie bereits kurz vor der Sicherstellung eines vollständigen Produktionszyklus, und wir sprechen von Designstandards im Bereich zwischen 500 und 100 nm.