Hace unos días, Intel
anunció que los problemas de fabricación (rendimiento insuficiente) lo obligaron a cambiar el inicio de la producción comercial con estándares de diseño de 10 nm desde finales de este año hasta principios del próximo. Y TSMC ya ha comenzado la producción en masa de 7 nm, con cinco docenas de proyectos este año. Esta es una cara de la moneda.
El otro lado es
la traducción de ayer de un artículo sobre un escolar de EE. UU. Que hizo lo que
BarsMonster falló y produjo un chip en el garaje. ¡Con estándares de diseño de 175 micras!
En los comentarios sobre esta traducción, hubo una serie de preguntas "¿cuándo será posible comprar un procesador de código abierto?", "¿Cuándo aparecerán las impresoras 3D para microcircuitos?", Y decidí resaltar un poco lo que está sucediendo con los estándares de diseño entre 10 nm y 175 micras , incluso en relación con su accesibilidad para aficionados y pequeñas empresas.
Spoiler: ASIC para minería es extremadamente costoso (decenas de millones de dólares).
¿Se produce algo de acuerdo con los estándares de diseño obsoletos?¿Cuáles son los estándares de diseño en general? En el sentido clásico, la frase "estándares de diseño de X nanómetros" significaba que la longitud de la puerta del transistor es estos mismos X nanómetros. Comenzando en algún punto (por debajo de 20 nm), la reducción en el tamaño de los transistores (también conocida como la ley de Moore) dejó de funcionar, tuve que inventar varios trucos (por ejemplo, FinFET), pero los especialistas en marketing eran inexorables: la figura atesorada debe moverse más hacia abajo. Por lo tanto, en los procesos modernos de 10 nm, la longitud real del canal es la misma de 20 nm. Pero lo que es más importante, las primeras décadas de su existencia, la ley de Moore impulsó la industria de los semiconductores, no solo porque menos es más pronunciada, sino también porque cada transistor en la próxima generación de estándares de diseño era más barato que en el anterior. Es decir, por el mismo dinero en un chip del mismo tamaño, fue posible poner más funcionalidad. Pero esto terminó, y 28 nm fueron los estándares de diseño con el transistor más barato, después de lo cual los transistores comenzaron a subir de precio. Esto, a su vez, ha llevado al hecho de que para muchas aplicaciones, cambiar a estándares de diseño avanzados se ha convertido en una desventaja económica. Y esto se aplica a las industrias en las que los estándares de diseño pequeños se han usado tradicionalmente, pero también hay aplicaciones en las que no se necesitaban de todos modos.
Veamos el recorte de ventas de la fábrica de TSMC más grande del mundo (aproximadamente la mitad de todo el mercado). Uno de los trimestres de 2015 está arriba, 2009 está abajo.
¿Qué vemos en estos gráficos? El hecho de que en 2009 y 2015, los dos estándares de diseño más delgados aportaron a TSMC solo la mitad de todos los ingresos, ¡y ese 15-20 por ciento aportó tecnología al menos hace diez años! En el gráfico de 2009 hay un 4% de 40 nm, pero los descuidaremos por simplicidad, porque estas fueron las primeras semanas después del lanzamiento de la tecnología.
También puede observar en estos gráficos que durante siete años la proporción del proceso tecnológico 130/110 nm disminuyó ocho veces, 90 nm - cinco veces, y 65 nm y 180/150 nm - solo dos veces. Esto es especialmente claramente visible en el gráfico de 2015: los sectores con un aumento en los estándares de diseño se están reduciendo, reduciendo, y luego hay un sector amplio.
Observo que ahora estamos hablando del diez por ciento de los ingresos de la fábrica más grande del mundo, y esto es más que los ingresos totales de la fábrica, que ocupa el cuarto lugar, y ocho veces más que un jugador tan respetado en el mercado como el XFAB alemán (que, por cierto, en principio sin tecnología por debajo de 130 nm). Cuántas veces es más que el "Micron" de Zelenograd, que también tiene estándares de diseño de 180 nm, incluso me da miedo pensar.
Al mismo tiempo, el mercado está creciendo y la producción de acuerdo con los viejos estándares de diseño también es relevante. Además, incluso se están poniendo en servicio nuevas fábricas que trabajan con placas de 200 mm "obsoletas".
Por qué Para responder a esta pregunta, vamos al sitio web de TSMC,
en la sección "tecnología" .
Allí veremos tres subsecciones: "planes", "tecnologías lógicas" y "tecnologías especiales". Todo está claro con los planes, en la sección de lógica veremos una serie ordenada por estándares de diseño, pero en la sección "tecnologías especiales" ... ¡los estándares de diseño no se mencionan en absoluto! Las subsecciones se ordenan por aplicación, y es en esta parte que los pedidos de microchips se recopilan de acuerdo con una variedad de estándares de diseño. Por ejemplo, una descripción de la sección de tecnología para circuitos analógicos:
"La completa cartera de procesos analógicos de la compañía ofrece opciones de 0.5 µm a 16 nm para aplicaciones que incluyen teléfonos inteligentes, tabletas, electrónica automotriz, computadoras, audio, equipos médicos electrónicos y electrodomésticos".
¡Piénsalo bien! En 2018, la fábrica, legislador y pionero más grande del mundo anuncia habitualmente la producción de 500 nm. Por qué Porque es económicamente viable.
El costo de fabricar un circuito integrado se duplica con cada nuevo paso de los estándares de diseño, y la diferencia entre 28 nm y 180 nm es decenas de veces. Cuando diseña una tarjeta de video que planea vender en cientos de millones de piezas, el costo del chip no es tan importante (pero, por cierto, el costo de software más costoso, casos específicos, etc. juegan un papel), pero si va a lanzar solo diez mil ASIC complicado para controlar un convertidor DC / DC, la diferencia entre 180 y 350 nm bien puede determinar la recuperación de su producto.
Especialmente si su producto no es puramente digital. El sitio de TSMC no está muy abierto a los extraños, pero no solo por ellos. Vamos al
sitio de la fábrica XFAB , por cierto bastante popular en Rusia. La sección de "tecnología" tiene una larga lista, con varias opciones para cada estándar de diseño. Un proceso para circuitos analógicos, otro para alimentación, en el tercero hay fotodetectores incorporados ...
Si abre la
hoja de datos de la tecnología de proceso XP018 (180 nm), veremos docenas de tipos de transistores en su interior y la misma cantidad de resistencias y condensadores. En este caso, preste atención al valor límite de Vgs: el voltaje en la puerta del transistor, ¡no solo habrá y no se espera tanto para 180 nm 1.8 Volts, sino también 5 Volts! De hecho, este proceso técnico no solo es de 180 nm, se puede implementar en un solo chip de transistores de 180 nm para una lógica rápida y de baja potencia, transistores de 500 nm para circuitos analógicos y circuitos de entrada-salida, y interruptores de potencia de 1000 nm capaces de trabajar con voltajes de decenas de voltios. Y los TSMC en el mismo chip también pueden tener transistores de 90, 65 y 40 nm, que difieren no solo en geometría, sino también en niveles de dopaje y espesor dieléctrico de puerta, que determinan los modos de funcionamiento del transistor. El costo total de producir un chip generalmente es comparable con los estándares de diseño más delgados disponibles en él: el costo de las máscaras para fotolitografía aumenta de forma no lineal con una disminución en los estándares de diseño, pero las máscaras adicionales para opciones más gruesas aumentan el costo linealmente, en un pequeño porcentaje cada una.
Pero, ¿qué pasa si en su proyecto la parte principal está ocupada por transistores de alto voltaje y hay muy poca lógica? Si puede tolerar la transferencia de lógica de 40 nm a 180, o de 180 a 600, puede ahorrar mucho dinero. Y después de eliminar la lógica de 180 nm, el proceso de fabricación XP018 se transforma mágicamente en el
proceso de fabricación XHB06 con estándares de diseño de 600 nm, y al mismo tiempo se vuelve significativamente más barato de fabricar.
De aquí es de donde proviene la carga de tecnologías tan irremediablemente obsoletas: el mundo requiere no solo nuevos procesadores para teléfonos móviles, sino también nuevos controladores para LED en el flash, circuitos de control para motores eléctricos en vehículos no tripulados y solo microcontroladores para muñecos y lavadoras. Y, por ejemplo, para un mercado de rápido crecimiento como el Internet de las cosas, no es tan importante la productividad como el bajo consumo de energía, del que las tecnologías avanzadas no pueden presumir. Y el mismo TSMC está desarrollando activamente no solo la tecnología de proceso de 5 nm, sino también nuevas opciones para el proceso de 20 nm, lo que hará que las nuevas generaciones de dispositivos IoT sean mejores y más baratos.
Por ejemplo, un anuncio de Global Foundries sobre su tecnología para Internet de chips de cosas, hay una docena de procesos tecnológicos, de 22 a 180 nm. Aproximadamente 7-10 fuera de la cuestión).
¿Cuánto cuesta y dónde puedo obtenerlo?Lo primero y más importante a entender: una gran cantidad de dinero (decenas o cientos de miles de dólares al año) cuesta CAD. Pero hay buenas noticias. Si no considera las opciones para la piratería, entonces, en primer lugar, varias universidades tienen licencias para el software CAD (quién sabe, tal vez es hora de visitar alma mater), y en segundo lugar, con grandes estándares de diseño, puede recopilar una ruta de diseño desde diversos grados de conveniencia de abrir y universidad tula. Hay
Electric VLSI (completamente gratis, GNU), hay un editor de topología
Magic , hay un simulador
Icarus verilog y, de hecho, mucho más. Lo más difícil es verificar el cumplimiento de la topología con las reglas de diseño (DRC) y verificar la conformidad de la topología y el circuito (LVS), pero a 180-350-600 nm es bastante realista hacerlo en el mismo VLSI eléctrico.
También es útil ir a
Opencores.org y ver que hay muchos proyectos
prefabricados y semiacabados de diversos grados de complejidad. Aquí, por ejemplo, puede encontrar el procesador openRISC basado en el procesador de arquitectura de silicio y ya probado.
¿Cuánto cuesta la producción?Aquí la pregunta más difícil no es ni siquiera dónde obtener el dinero, sino cómo hacer que la fábrica le hable en general. Hay una conversación especial sobre las realidades rusas, es inútil ir a Mikron, pero es posible que se haya agotado en la producción hinchada desde la época de Brezhnev, que, tal vez, más de una docena han sobrevivido en diferentes partes de Rusia. En cuanto a las fábricas extranjeras, entonces con una probabilidad del 100% necesitará una entidad legal, e incluso con ella la mayoría de las fábricas pensarán, preguntarán sobre sus planes para la producción en masa, etc. etc. La mayoría, pero no todos, así que puedes intentarlo. Y aún puede ir a Alma Mater e intentar hacerlo a través de ellos, a las universidades y la actitud siempre es buena, y los precios pueden ser más leales.
En cualquier caso, para verificar el rendimiento del diseño antes de lanzar la serie, la mayoría de las fábricas tienen un servicio MPW (Multi-Project Wafer): por una cantidad modesta de dinero, le dan un área (generalmente de 9-10 a 25 milímetros cuadrados), luego recolectan muchos de estos proyecta juntos, produce y emite a cada participante varias docenas de chips. Esta es una ruta de producción estándar utilizada por pequeñas empresas de todo el mundo. El costo de MPW para los estándares de diseño de 180-600 nm en diferentes fábricas está en el rango de 500-1500 euros por milímetro cuadrado, la producción demora de 3 a 6 meses. Un lote en serie pequeño probablemente costará entre 50 y 200 mil euros, dependiendo de la fábrica, los detalles del proyecto, etc. etc.
Para los estándares de diseño de 28-20 y más, hablaremos de cientos de miles de euros para un lanzamiento de prueba y millones para la producción en serie.
Se pueden encontrar ejemplos de precios para MPW en el sitio web del gran agregador universitario
Europractice . Por supuesto, debemos tener en cuenta que estos son precios para las universidades, pero la diferencia con los precios de los simples mortales no es muy grande.
Es bastante posible que una startup encuentre diez mil euros para el lanzamiento (pero, por supuesto, en este caso este es solo uno y no el mayor gasto), pero para un aficionado probablemente sea un poco caro. Pero diez milímetros cuadrados en realidad es mucho, y probablemente puedas intentar unirte a un proyecto universitario o encontrar algunos más de los mismos entusiastas y agitar una startup con una astilladora para implementar varios proyectos en un solo chip. Una vez más, esto es en cualquier caso más barato que ensamblar su propia producción en el garaje, y al final tendrá suficiente diversión técnica con el embalaje (si no lo ordena en la fábrica), paneles y equipos de medición.
Y finalmente, solo un poco sobre las "impresoras 3D para microcircuitos". Un conjunto clásico de equipos para costos de producción de varios cientos de millones de dólares a varias decenas de miles de millones, y tendrá que invertir la misma cantidad en una habitación adecuada, pero durante bastante tiempo en Japón, se desarrolló el proyecto
Minimal Fab , cuyo objetivo final es la posibilidad de producir chips al menos individualmente, sin una sala limpia y requisitos de infraestructura complejos, y por varios órdenes de magnitud menos dinero. Si todo funciona, este será un hito muy importante en la historia de la industria de los semiconductores, y lo hará mucho más accesible y flexible.
Entonces, según los autores, se verá así.
No sigo este proyecto en detalle, pero el año pasado sus representantes ya estaban en exposiciones y conferencias de la industria rusa, y negociaron suministros. Según tengo entendido, ahora ya están cerca de garantizar un ciclo de producción completo, y estamos hablando de estándares de diseño en el rango entre 500 y 100 nm.