Beberapa hari yang lalu, Intel
mengumumkan bahwa masalah manufaktur (hasil yang tidak mencukupi) memaksanya untuk menggeser awal produksi komersial pada standar desain 10 nm dari akhir tahun ini ke awal berikutnya. Dan TSMC telah memulai produksi massal 7 nm, dengan lima lusin proyek tahun ini. Ini adalah satu sisi dari koin.
Sisi lain adalah
terjemahan kemarin dari sebuah artikel tentang seorang anak sekolah dari AS yang melakukan apa yang
gagal BarsMonster dan menghasilkan sebuah chip di garasi. Dengan standar desain 175 mikron!
Dalam komentar pada terjemahan ini, ada sejumlah pertanyaan "kapan akan mungkin untuk membeli prosesor open-source?", "Kapan printer 3D untuk sirkuit mikro muncul?", Dan saya memutuskan untuk menyoroti sedikit apa yang terjadi dengan standar desain antara 10 nm dan 175 mikron , termasuk dalam kaitannya dengan aksesibilitas mereka untuk amatir dan perusahaan kecil.
Spoiler: ASIC untuk menambang sangat mahal (puluhan juta dolar).
Apakah sesuatu diproduksi sama sekali sesuai dengan standar desain yang ketinggalan jaman?Apa standar desain secara umum? Dalam pengertian klasik, frasa “standar desain X nanometer” berarti bahwa panjang gerbang transistor adalah X nanometer yang sama. Mulai pada titik tertentu (di bawah 20 nm), pengurangan ukuran transistor (juga dikenal sebagai hukum Moore) berhenti bekerja, saya harus menemukan berbagai trik (misalnya, FinFET), tetapi pemasar tidak dapat dihindari: angka yang berharga perlu dipindahkan lebih jauh ke bawah. Oleh karena itu, dalam proses 10 nm modern, panjang saluran sebenarnya adalah 20 nm yang sama. Tetapi yang lebih penting, dekade pertama keberadaannya, hukum Moore menggerakkan industri semikonduktor, tidak hanya karena lebih sedikit yang lebih curam, tetapi juga karena setiap transistor dalam generasi berikutnya dari standar desain lebih murah daripada yang sebelumnya. Artinya, untuk uang yang sama pada chip dengan ukuran yang sama dimungkinkan untuk menempatkan lebih banyak fungsi. Tapi ini berakhir, dan 28 nm adalah standar desain dengan transistor termurah, setelah itu transistor mulai naik harganya. Ini, pada gilirannya, telah mengarah pada fakta bahwa untuk banyak aplikasi, beralih ke standar desain yang maju telah menjadi tidak menguntungkan secara ekonomi. Dan ini berlaku untuk industri di mana standar desain kecil secara tradisional telah banyak digunakan, tetapi ada juga aplikasi di mana mereka tidak diperlukan.
Mari kita lihat potongan penjualan dari pabrik TSMC terbesar di dunia (sekitar setengah dari seluruh pasar). Salah satu dari kuartal 2015 berada di atas, 2009 di bawah.
Apa yang kita lihat dalam grafik ini? Fakta bahwa pada tahun 2009 dan 2015, dua standar desain tertipis membawa TSMC hanya setengah dari semua pendapatan, dan bahwa 15-20 persen membawa teknologi setidaknya sepuluh tahun yang lalu! Pada grafik 2009 ada 4% dari 40 nm, tetapi kami akan mengabaikannya karena kesederhanaan, karena ini adalah minggu-minggu pertama setelah peluncuran teknologi.
Anda juga dapat melihat dari grafik ini bahwa selama tujuh tahun pangsa proses teknologi 130/110 nm menurun delapan kali, 90 nm - lima kali, dan 65 nm dan 180/150 nm - hanya dua kali. Ini terutama terlihat jelas pada grafik 2015 - sektor-sektor dengan peningkatan standar desain menyempit, menyempit, dan kemudian ada satu sektor luas.
Saya perhatikan bahwa kita sekarang berbicara tentang sepuluh persen dari pendapatan pabrik terbesar di dunia, dan ini lebih dari seluruh pendapatan pabrik, yang menempati tempat keempat, dan delapan kali lebih banyak daripada pemain yang begitu disegani di pasar seperti XFAB Jerman (yang, omong-omong, pada prinsipnya tidak ada teknologi di bawah 130 nm). Berapa kali ini lebih dari "Mikron" Zelenograd, yang juga memiliki standar desain 180 nm, saya bahkan takut untuk berpikir.
Pada saat yang sama, pasar sedang tumbuh, dan produksi sesuai dengan standar desain lama juga relevan. Selain itu, pabrik-pabrik baru bahkan sedang ditugaskan, bekerja dengan pelat 200 mm yang “usang”.
Kenapa begitu Untuk menjawab pertanyaan ini, mari pergi ke situs web TSMC,
di bagian "teknologi" .
Di sana kita akan melihat tiga subbagian: "rencana", "teknologi logis" dan "teknologi khusus". Semuanya jelas dengan rencana, di bagian logika kita akan melihat seri diurutkan berdasarkan standar desain, tetapi di bagian "teknologi khusus" ... standar desain tidak disebutkan sama sekali! Subbagian diurutkan berdasarkan aplikasi, dan di bagian inilah pesanan untuk microchip dikumpulkan sesuai dengan berbagai standar desain. Misalnya, deskripsi bagian teknologi untuk sirkuit analog:
"Portofolio proses analog komprehensif Perusahaan menawarkan opsi mulai 0,5μm hingga 16nm untuk aplikasi termasuk smartphone, tablet, elektronik otomotif, komputer, audio, peralatan medis elektronik, dan peralatan rumah tangga."
Pikirkan lagi! Pada tahun 2018, pabrik, pembuat undang-undang, dan perintis terbesar di dunia secara rutin mengiklankan produksi 500 nm. Mengapa Karena layak secara ekonomi.
Biaya pembuatan sirkuit terpadu berlipat ganda dengan setiap langkah standar desain baru, dan perbedaan antara 28 nm dan 180 nm adalah puluhan kali. Ketika Anda mendesain kartu video yang Anda rencanakan untuk dijual dalam ratusan juta keping, biaya chip tidak begitu penting (tetapi, omong-omong, biaya perangkat lunak yang lebih mahal, kasing khusus, dll. Berperan), tetapi jika Anda akan merilis hanya sepuluh ribu ASIC yang rumit untuk mengontrol konverter DC / DC, perbedaan antara 180 dan 350 nm mungkin menentukan pengembalian produk Anda.
Apalagi jika produk Anda tidak murni digital. Situs TSMC tidak terlalu terbuka untuk orang luar, tetapi tidak oleh mereka sendiri. Kami pergi ke
situs pabrik XFAB , dengan cara yang cukup populer di Rusia. Bagian "teknologi" memiliki daftar panjang, dengan beberapa opsi untuk setiap standar desain. Satu proses untuk sirkuit analog, yang lain untuk daya, di yang ketiga ada built-in photodetectors ...
Jika Anda membuka
lembar data teknologi proses XP018 (180 nm), maka kita akan melihat puluhan jenis transistor di dalamnya, dan sebanyak mungkin resistor dan kapasitor. Dalam hal ini, perhatikan nilai batas Vgs - tegangan di gerbang transistor, tidak hanya akan ada dan tidak begitu diharapkan untuk 180 nm 1,8 Volt, tetapi juga 5 Volt! Sebenarnya, proses teknis ini tidak hanya 180 nm, dapat diterapkan pada satu chip 180 nm transistor untuk logika cepat dan berdaya rendah, 500 nm transistor untuk sirkuit analog dan sirkuit input-output, dan 1000 nm switch daya yang mampu bekerja dengan voltase puluhan volt. Dan TSMC pada chip yang sama juga dapat memiliki transistor 90, 65, dan 40 nm, yang berbeda tidak hanya dalam geometri, tetapi juga dalam level doping dan ketebalan dielektrik gerbang, yang menentukan mode operasi transistor. Total biaya pembuatan chip biasanya sebanding dengan standar desain tertipis yang tersedia di dalamnya: biaya masker untuk photolithography meningkat secara non-linear dengan penurunan standar desain, tetapi masker tambahan untuk opsi kasar meningkatkan biaya secara linear, masing-masing beberapa persen.
Tetapi bagaimana jika dalam proyek Anda bagian utama ditempati oleh transistor tegangan tinggi, dan hanya ada sedikit logika? Jika Anda dapat mentolerir transfer logika dari 40 nm ke 180, atau dari 180 hingga 600, Anda dapat menghemat banyak uang. Dan setelah menghapus logika 180 nm, proses manufaktur XP018 secara ajaib berubah menjadi
proses manufaktur XHB06 dengan standar desain 600 nm, dan pada saat yang sama menjadi lebih murah untuk diproduksi.
Di sinilah beban kerja yang baik dari teknologi yang sudah usang seperti itu datang dari dunia: dunia tidak hanya membutuhkan prosesor baru untuk ponsel, tetapi juga driver baru untuk LED dalam sekejap, sirkuit kontrol untuk kendaraan tak berawak listrik, dan hanya mikrokontroler untuk boneka dan mesin cuci. Dan, misalnya, untuk pasar yang berkembang pesat seperti Internet, tidak banyak produktivitas yang penting karena konsumsi daya yang rendah, yang tidak bisa dibanggakan oleh teknologi canggih. Dan TSMC yang sama sekarang secara aktif mengembangkan tidak hanya teknologi proses 5 nm, tetapi juga opsi baru untuk proses 20 nm, yang akan membuat generasi baru perangkat IoT lebih baik dan lebih murah.
Misalnya, sebuah iklan oleh Global Foundries tentang teknologi mereka untuk Internet keripik hal, ada selusin proses teknologi, dari 22 hingga 180 nm. Sekitar 7-10 dari pertanyaan).
Berapa biayanya dan di mana saya bisa mendapatkannya?Hal pertama dan paling penting untuk dipahami: banyak uang (puluhan atau ratusan ribu dolar per tahun) berharga CAD. Tapi ada kabar baik. Jika Anda tidak mempertimbangkan opsi untuk pembajakan, maka, pertama, sejumlah universitas memiliki lisensi untuk perangkat lunak CAD (siapa tahu, mungkin inilah saatnya untuk mengunjungi almamater), dan kedua, pada standar desain besar, Anda dapat mengumpulkan rute desain dari berbagai tingkat kenyamanan terbuka. dan tula universitas. Ada
Electric VLSI (benar-benar gratis, GNU), ada editor topologi
Sihir , ada simulator
Icarus Verilog , dan sebenarnya cukup banyak. Hal yang paling sulit adalah memeriksa kepatuhan topologi dengan aturan desain (DRC) dan memeriksa kesesuaian topologi dan sirkuit (LVS), tetapi pada 180-350-600 nm cukup realistis untuk melakukannya dalam VLSI Electric yang sama.
Juga bermanfaat untuk mengunjungi
Opencores.org dan melihat ada banyak proyek yang sudah jadi dan setengah jadi dengan berbagai tingkat kompleksitas. Di sini, misalnya, Anda dapat menemukan prosesor berbasis openRISC dan sudah diuji dalam prosesor arsitektur silikon.
Berapa biaya produksi?Di sini pertanyaan yang paling sulit adalah bahkan di mana tidak mendapatkan uang, tetapi bagaimana membuat pabrik berbicara kepada Anda secara umum. Ada percakapan khusus tentang realitas Rusia, tidak ada gunanya pergi ke Mikron, tetapi mungkin saja itu terbakar dalam produksi yang membengkak sejak zaman Brezhnev, yang, mungkin, lebih dari selusin telah bertahan di berbagai bagian Rusia. Sedangkan untuk pabrik asing, maka dengan probabilitas 100% Anda akan memerlukan badan hukum, dan bahkan dengan itu sebagian besar pabrik akan berpikir, bertanya tentang rencana Anda untuk produksi massal, dll. dll. Sebagian besar, tetapi tidak semua, jadi Anda bisa mencoba. Dan Anda masih bisa pergi ke almamater dan mencoba melakukannya, ke universitas dan sikap selalu baik, dan harga mungkin lebih loyal.
Dalam kasus apa pun, untuk memeriksa kinerja desain sebelum meluncurkan seri, sebagian besar pabrik memiliki layanan MPW (Multi-Project Wafer) - untuk sejumlah kecil uang yang mereka berikan kepada Anda area (biasanya dari 9-10 hingga 25 milimeter persegi), maka mereka mengumpulkan banyak dari ini. memproyeksikan bersama, memproduksi dan mengeluarkan beberapa lusin chip untuk setiap peserta. Ini adalah rute produksi standar yang digunakan oleh perusahaan kecil di seluruh dunia. Biaya PU untuk standar desain 180-600 nm di pabrik yang berbeda berkisar antara 500-1500 euro per milimeter persegi, produksi membutuhkan waktu 3-6 bulan. Batch seri kecil kemungkinan akan menelan biaya 50-200 ribu euro, tergantung pada pabrik, spesifikasi proyek, dll. dll.
Untuk standar desain 28-20 dan lebih, kita akan berbicara tentang ratusan ribu euro untuk peluncuran uji coba dan jutaan untuk produksi serial.
Contoh harga untuk PU bisa ditemukan di situs web Agregator universitas besar
Europractice . Tentu saja, kita harus ingat bahwa ini adalah harga untuk universitas, tetapi perbedaannya dengan harga untuk manusia biasa tidak terlalu besar.
Sangat mungkin bagi startup untuk menemukan sepuluh ribu euro untuk diluncurkan (tetapi, tentu saja, dalam hal ini ini hanya satu dan bukan item pengeluaran terbesar), tetapi bagi seorang amatir mungkin sedikit mahal. Tetapi sepuluh milimeter persegi sebenarnya banyak, dan Anda mungkin dapat mencoba untuk bergabung dengan proyek universitas atau menemukan beberapa penggemar yang sama dan membangkitkan startup dengan chipper untuk mengimplementasikan beberapa proyek pada satu chip. Sekali lagi, ini dalam hal apapun lebih murah daripada merakit produksi Anda sendiri di garasi, dan pada akhirnya Anda akan bersenang-senang teknis dengan kemasan (jika Anda tidak memesannya di pabrik), papan tempat memotong roti dan peralatan pengukur.
Dan akhirnya - hanya sedikit tentang "printer 3D untuk sirkuit mikro." Seperangkat peralatan klasik untuk biaya produksi dari beberapa ratus juta dolar hingga puluhan miliar, dan Anda harus menginvestasikan jumlah yang sama di ruangan yang sesuai, tetapi untuk beberapa waktu di Jepang, proyek
Minimal Fab telah dikembangkan, tujuan utamanya adalah kemungkinan menghasilkan chip setidaknya secara individual, tanpa ruang bersih. dan persyaratan infrastruktur yang rumit, dan untuk beberapa pesanan besar lebih sedikit uang. Jika semuanya berhasil, ini akan menjadi tonggak yang sangat penting dalam sejarah industri semikonduktor, dan akan membuatnya lebih mudah diakses dan fleksibel.
Jadi, menurut penulis, akan terlihat seperti.
Saya tidak mengikuti proyek ini secara terperinci, tetapi tahun lalu perwakilannya sudah menghadiri pameran dan konferensi industri Rusia, dan menegosiasikan pasokan. Sejauh yang saya mengerti, sekarang mereka sudah dekat untuk memastikan siklus produksi penuh, dan kita berbicara tentang standar desain dalam kisaran antara 500 dan 100 nm.