Il y a quelques jours, Intel a
annoncé que des problèmes de production (rendement insuffisant) l'ont obligé à déplacer le début de la production commerciale aux normes de conception de 10 nm de la fin de cette année au début de la prochaine. Et TSMC a déjà commencé la production de masse de 7 nm, avec cinq douzaines de projets cette année. C'est un côté de la médaille.
L'autre côté est
la traduction d'hier d'un article sur un écolier des États-Unis qui a fait ce que
BarsMonster a échoué et a produit une puce dans le garage. Avec des normes de conception de 175 microns!
Dans les commentaires sur cette traduction, il y avait un certain nombre de questions «quand sera-t-il possible d'acheter un processeur open-source?», «Quand les imprimantes 3D pour microcircuits apparaîtront?», Et j'ai décidé de souligner un peu ce qui se passe avec les normes de conception entre 10 nm et 175 microns , y compris en ce qui concerne leur accessibilité pour les amateurs et les petites entreprises.
Spoiler: ASIC pour l'exploitation minière est extrêmement coûteux (des dizaines de millions de dollars).
Est-ce que quelque chose est produit selon des normes de conception dépassées?Quelles sont les normes de conception en général? Dans le sens classique, l'expression «normes de conception de nanomètres X» signifiait que la longueur de grille du transistor est ces mêmes nanomètres X. À partir d'un moment donné (en dessous de 20 nm), la réduction de la taille des transistors (également connue sous le nom de loi de Moore) a cessé de fonctionner, j'ai dû inventer diverses astuces (par exemple, FinFET), mais les spécialistes du marketing étaient inexorables: le chiffre précieux doit être déplacé plus bas. Par conséquent, dans les processus modernes à 10 nm, la longueur réelle du canal est la même de 20 nm. Mais plus important encore, au cours des premières décennies de son existence, la loi de Moore a fait avancer l'industrie des semi-conducteurs, non seulement parce que moins est plus raide, mais aussi parce que chaque transistor de la prochaine génération de normes de conception était moins cher que le précédent. Autrement dit, pour le même prix sur une puce de même taille, il a été possible de mettre plus de fonctionnalités. Mais cela a pris fin, et 28 nm étaient les normes de conception avec le transistor le moins cher, après quoi les transistors ont commencé à augmenter de prix. Ceci, à son tour, a conduit au fait que pour de nombreuses applications, le passage à des normes de conception avancées est devenu économiquement désavantageux. Et cela s'applique aux industries où les petites normes de conception ont traditionnellement été largement utilisées, mais il existe également des applications où elles n'étaient pas nécessaires de toute façon.
Examinons la baisse des ventes de la plus grande usine TSMC au monde (environ la moitié de l'ensemble du marché). Un des trimestres de 2015 est en haut, 2009 en bas.
Que voyons-nous dans ces graphiques? Le fait qu'en 2009 et 2015, les deux normes de conception les plus minces n'apportaient à TSMC que la moitié de tous les revenus, et que 15 à 20% apportent la technologie il y a au moins une décennie! Sur le graphique 2009, il y a 4% de 40 nm, mais nous les négligerons pour plus de simplicité, car ce sont les premières semaines après le lancement de la technologie.
Vous pouvez également remarquer sur ces graphiques que sur sept ans, la part du processus technologique 130/110 nm a diminué huit fois, 90 nm - cinq fois, et 65 nm et 180/150 nm - seulement deux fois. Cela est particulièrement visible sur le graphique de 2015 - les secteurs avec une augmentation des normes de conception se rétrécissent, se rétrécissent, puis il y a un secteur large.
Je note que nous parlons maintenant de dix pour cent des revenus de la plus grande usine au monde, et c'est plus que le revenu total de l'usine, qui occupe la quatrième place, et huit fois plus qu'un acteur respecté sur le marché comme le XFAB allemand (qui, en passant, en principe, en principe pas de technologie en dessous de 130 nm). Combien de fois c'est plus que le «Micron» de Zelenograd, qui a également des normes de conception de 180 nm, j'ai même peur de penser.
Dans le même temps, le marché est en croissance et la production selon les anciennes normes de conception est également pertinente. De plus, de nouvelles usines sont même en cours de mise en service, fonctionnant avec des plaques «obsolètes» de 200 mm.
Pourquoi Afin de répondre à cette question, allons sur le site Web de TSMC,
dans la section «technologie» .
Nous y verrons trois sous-sections: «plans», «technologies logiques» et «technologies spéciales». Tout est clair avec les plans, dans la section logique nous verrons une série triée par normes de conception, mais dans la section «technologies spéciales» ... les normes de conception ne sont pas du tout mentionnées! Les sous-sections sont triées par application, et c'est dans cette partie que les commandes de micropuces sont collectées selon une variété de normes de conception. Par exemple, une description de la section technologique pour les circuits analogiques:
«Le portefeuille complet de processus analogiques de la société offre des options de 0,5 µm à 16 nm pour des applications telles que les smartphones, les tablettes, l'électronique automobile, les ordinateurs, l'audio, l'équipement médical électronique et les appareils électroménagers.»
Pensez-y! En 2018, la plus grande usine, législateur et pionnier du monde annonce régulièrement une production à 500 nm. Pourquoi? Parce qu'il est économiquement viable.
Le coût de fabrication d'un circuit intégré double à chaque nouvelle étape des normes de conception, et la différence entre 28 nm et 180 nm est des dizaines de fois. Lorsque vous concevez une carte vidéo que vous envisagez de vendre en centaines de millions de pièces, le coût de la puce n'est pas si important (mais, en passant, le coût d'un logiciel plus cher, des cas spécifiques, etc. jouent un rôle), mais si vous prévoyez de ne publier que dix mille ASIC délicat pour contrôler un convertisseur DC / DC, la différence entre 180 et 350 nm pourrait bien déterminer le retour sur investissement de votre produit.
Surtout si votre produit n'est pas purement numérique. Le site TSMC n'est pas très ouvert aux étrangers, mais pas à eux seuls. Nous allons sur le
site de l'usine XFAB , d'ailleurs très populaire en Russie. La section «technologie» a une longue liste, avec plusieurs options pour chaque norme de conception. Un processus pour les circuits analogiques, un autre pour l'alimentation, dans le troisième il y a des photodétecteurs intégrés ...
Si vous ouvrez la
fiche technique de la technologie de processus XP018 (180 nm), alors nous verrons des dizaines de types de transistors à l'intérieur, et autant de résistances et de condensateurs. Dans ce cas, faites attention à la valeur limite de Vgs - la tension à la grille du transistor, il y aura non seulement et pas tant attendu pour 180 nm 1,8 Volts, mais aussi 5 Volts! En fait, ce processus technique n'est pas seulement à 180 nm, il peut être mis en œuvre sur une seule puce de transistors 180 nm pour une logique rapide et basse puissance, des transistors 500 nm pour les circuits analogiques et les circuits d'entrée-sortie, et des interrupteurs de puissance 1000 nm capables de travailler avec des tensions de dizaines de volts. Et les TSMC sur la même puce peuvent également avoir des transistors 90, 65 et 40 nm, qui diffèrent non seulement par la géométrie, mais aussi par les niveaux de dopage et l'épaisseur diélectrique de la grille, qui déterminent les modes de fonctionnement du transistor. Le coût total de production d'une puce est généralement comparable aux normes de conception les plus fines disponibles: le coût des masques pour la photolithographie augmente de manière non linéaire avec une diminution des normes de conception, mais des masques supplémentaires pour des options plus grosses augmentent le coût linéairement, de quelques pour cent chacun.
Mais que se passe-t-il si dans votre projet la partie principale est occupée par des transistors haute tension, et qu'il y a très peu de logique? Si vous pouvez tolérer le transfert de logique de 40 nm à 180, ou de 180 à 600, vous pouvez économiser beaucoup d'argent. Et après avoir supprimé la logique de 180 nm, le processus de fabrication XP018 se transforme comme par magie en
processus de fabrication XHB06 avec des normes de conception de 600 nm, et en même temps, il devient beaucoup moins cher à fabriquer.
C'est de là que vient la bonne charge de travail de ces technologies désespérément dépassées: le monde a besoin non seulement de nouveaux processeurs pour téléphones mobiles, mais aussi de nouveaux pilotes pour les LED dans le flash, des circuits de commande pour les véhicules électriques sans pilote et seulement des microcontrôleurs pour les mannequins et les machines à laver. Et, par exemple, pour un marché en croissance rapide comme l'Internet des objets, la productivité est moins importante que la faible consommation d'énergie, dont les technologies avancées ne peuvent se vanter. Et le même TSMC développe actuellement activement non seulement la technologie des processus à 5 nm, mais aussi de nouvelles options pour le processus à 20 nm, qui rendront les nouvelles générations d'appareils IoT meilleurs et moins chers.
Par exemple, une publicité de Global Foundries sur leur technologie pour les puces Internet des objets, il existe une dizaine de processus technologiques, de 22 à 180 nm. Environ 7-10 sur la question).
Combien cela coûte-t-il et où puis-je me le procurer?La première chose et la plus importante à comprendre: beaucoup d'argent (des dizaines ou des centaines de milliers de dollars par an) coûte CAD. Mais il y a de bonnes nouvelles. Si vous ne considérez pas les options de piratage, alors, premièrement, un certain nombre d'universités ont des licences pour les logiciels de CAO (qui sait, il est peut-être temps de visiter alma mater), et deuxièmement, à de grandes normes de conception, vous pouvez collecter un itinéraire de conception à différents degrés de commodité et tula universitaire. Il y a
Electric VLSI (entièrement gratuit, GNU), il y a un éditeur de topologie
Magic , il y a un simulateur de
verilog Icarus , et en fait beaucoup plus. Le plus difficile est de vérifier la conformité de la topologie avec les règles de conception (DRC) et de vérifier la conformité de la topologie et du circuit (LVS), mais à 180-350-600 nm il est assez réaliste de les réaliser dans le même VLSI électrique.
Il est également utile d'aller sur
Opencores.org et de voir qu'il existe de nombreux projets prêts à l'emploi et semi-finis de degrés de complexité variables. Ici, par exemple, vous pouvez trouver le processeur openRISC et déjà testé dans le processeur d'architecture de silicium.
Combien coûte la production?Ici, la question la plus difficile n'est même pas de savoir où trouver l'argent, mais comment faire en sorte que l'usine vous parle en général. Il y a une conversation spéciale sur les réalités russes, il est inutile d'aller à Mikron, mais il est possible qu'elle soit grillée en production gonflée depuis l'époque de Brejnev, qui, peut-être, plus d'une douzaine ont survécu dans différentes parties de la Russie. En ce qui concerne les usines étrangères, alors avec une probabilité de 100%, vous aurez besoin d'une entité juridique, et même avec elle, la plupart des usines réfléchiront, vous poseront des questions sur vos projets de production en série, etc. etc. La plupart, mais pas tous, vous pouvez donc essayer. Et vous pouvez toujours aller à alma mater et essayer de faire à travers eux, dans les universités et l'attitude est toujours bonne, et les prix pourraient bien être plus fidèles.
Dans tous les cas, pour vérifier les performances de la conception avant de lancer la série, la plupart des usines ont un service MPW (Multi-Project Wafer) - pour une somme modique, elles vous donnent une surface (généralement de 9 à 10 à 25 millimètres carrés), puis elles en collectent beaucoup. projets ensemble, produire et émettre à chaque participant plusieurs dizaines de puces. Il s'agit d'une voie de production standard utilisée par les petites entreprises du monde entier. Le coût du MPW pour les normes de conception de 180 à 600 nm dans différentes usines est de l'ordre de 500 à 1500 euros par millimètre carré, la production dure de 3 à 6 mois. Un petit lot de série coûtera probablement 50-200 milliers d'euros, selon l'usine, les spécificités du projet, etc. etc.
Pour les normes de conception de 28-20 et au-delà, nous parlerons de centaines de milliers d'euros pour un lancement de test et de millions pour la production en série.
Des exemples de prix pour les MPW sont disponibles sur le site Internet du grand agrégateur universitaire
Europractice . Bien sûr, nous devons garder à l'esprit qu'il s'agit de prix pour les universités, mais la différence avec les prix pour les simples mortels n'est pas très grande.
Il est tout à fait possible pour une startup de trouver dix mille euros pour le lancement (mais, bien sûr, dans ce cas, ce n'est qu'un seul et non le plus gros poste de dépenses), mais pour un amateur, c'est probablement un peu cher. Mais dix millimètres carrés, c'est beaucoup, et vous pouvez probablement essayer de rejoindre un projet universitaire ou trouver quelques-uns des mêmes passionnés et créer une startup avec une déchiqueteuse pour mettre en œuvre plusieurs projets sur une puce. Encore une fois, c'est en tout cas moins cher que d'assembler votre propre production dans le garage, et au final vous aurez assez de plaisir technique avec les emballages (si vous ne les commandez pas en usine), les planches à pain et les équipements de mesure.
Et enfin - juste un peu sur les «imprimantes 3D pour microcircuits». Un équipement classique pour des coûts de production de plusieurs centaines de millions de dollars à plusieurs dizaines de milliards, et vous devrez investir le même montant dans une pièce adaptée, mais depuis un certain temps au Japon, le projet
Minimal Fab a été développé, dont l'objectif ultime est de déclarer la possibilité de produire des micropuces au moins individuellement, sans salle blanche et les besoins en infrastructures complexes, et pour plusieurs ordres de grandeur moins d'argent. Si tout fonctionne, ce sera une étape très importante dans l'histoire de l'industrie des semi-conducteurs, et la rendra beaucoup plus accessible et flexible.
Ainsi, selon les auteurs, cela ressemblera.
Je ne suis pas en train de suivre ce projet en détail, mais l'année dernière, ses représentants étaient déjà présents à des salons et conférences de l'industrie russe et ont négocié des fournitures. Autant que je sache, ils sont maintenant sur le point d'assurer un cycle de production complet, et nous parlons de normes de conception comprises entre 500 et 100 nm.