Alguns dias atrás, a Intel
anunciou que problemas de fabricação (rendimento insuficiente) a obrigavam a mudar o início da produção comercial nos padrões de design de 10 nm do final deste ano para o início do próximo. E a TSMC já iniciou a produção em massa de 7 nm, com cinco dezenas de projetos este ano. Este é um lado da moeda.
O outro lado é
a tradução de ontem de um artigo sobre um estudante dos EUA que fez o que o
BarsMonster falhou e produziu um chip na garagem. Com padrões de design 175 mícrons!
Nos comentários desta tradução, havia uma série de perguntas “quando será possível comprar um processador de código aberto?”, “Quando as impressoras 3D para microcircuitos aparecerão?”. Decidi destacar um pouco o que está acontecendo com os padrões de design entre 10 nm e 175 mícrons. , inclusive em relação à sua acessibilidade para amadores e pequenas empresas.
Spoiler: ASIC para mineração é extremamente caro (dezenas de milhões de dólares).
Alguma coisa é produzida de acordo com padrões de design desatualizados?O que são padrões de design em geral? No sentido clássico, a frase "padrões de projeto de nanômetros X" significava que o comprimento da porta do transistor é esses mesmos nanômetros X. Começando em algum momento (abaixo de 20 nm), a redução no tamanho dos transistores (também conhecida como lei de Moore) parou de funcionar, tive que inventar vários truques (por exemplo, FinFET), mas os profissionais de marketing eram inexoráveis: o valor estimado precisa ser movido para baixo. Portanto, nos processos modernos de 10 nm, o comprimento real do canal é o mesmo 20 nm. Mais importante, porém, nas primeiras décadas de sua existência, a lei de Moore levou a indústria de semicondutores para a frente, não apenas porque menos é mais acentuada, mas também porque cada transistor na próxima geração de padrões de projeto era mais barato que no anterior. Ou seja, pelo mesmo dinheiro em um chip do mesmo tamanho, foi possível colocar mais funcionalidade. Mas isso terminou e 28 nm foram os padrões de design com o transistor mais barato, após o qual os transistores começaram a subir de preço. Isso, por sua vez, levou ao fato de que, para muitas aplicações, a mudança para padrões avançados de design se tornou economicamente desvantajosa. E isso se aplica a indústrias em que os pequenos padrões de design costumam ser amplamente utilizados, mas também existem aplicativos onde eles não eram necessários.
Vejamos o corte de vendas da maior fábrica de TSMC do mundo (cerca de metade de todo o mercado). Um dos trimestres de 2015 está no topo, 2009 está no fundo.
O que vemos nesses gráficos? O fato de que em 2009 e 2015, os dois padrões de design mais finos trouxeram à TSMC apenas metade de toda a receita e que 15 a 20% trazem tecnologia há pelo menos dez anos! No gráfico de 2009, existem 4% de 40 nm, mas os negligenciaremos por simplicidade, porque essas foram as primeiras semanas após o lançamento da tecnologia.
Você também pode notar nesses gráficos que, em sete anos, a participação do processo tecnológico 130/110 nm diminuiu oito vezes, 90 nm - cinco vezes e 65 nm e 180/150 nm - apenas duas vezes. Isso é especialmente visível no gráfico de 2015 - os setores com um aumento nos padrões de design estão se estreitando, se estreitando e, em seguida, há um setor amplo.
Observo que agora estamos falando de dez por cento da receita da maior fábrica do mundo, e isso é mais do que toda a receita da fábrica, que ocupa o quarto lugar, e oito vezes mais do que um player respeitado no mercado como o alemão XFAB (que, a propósito, em princípio nenhuma tecnologia abaixo de 130 nm). Quantas vezes isso é mais que o "Micron" de Zelenograd, que também possui padrões de design de 180 nm, tenho medo de pensar.
Ao mesmo tempo, o mercado está crescendo e a produção de acordo com os antigos padrões de design também é relevante. Além disso, novas fábricas estão sendo encomendadas, trabalhando com chapas “obsoletas” de 200 mm.
Porque Para responder a essa pergunta, vamos ao site do TSMC,
na seção "tecnologia" .
Lá veremos três subseções: "planos", "tecnologias lógicas" e "tecnologias especiais". Tudo está claro com os planos. Na seção lógica, veremos uma série classificada por padrões de design, mas na seção "tecnologias especiais" ... os padrões de design não são mencionados! As subseções são classificadas por aplicativo e é nesta parte que os pedidos de microchips são coletados de acordo com uma variedade de padrões de design. Por exemplo, uma descrição da seção de tecnologia para circuitos analógicos:
"O abrangente portfólio de processos analógicos da empresa oferece opções de 0,5µm a 16nm para aplicativos, incluindo smartphones, tablets, eletrônicos automotivos, computadores, áudio, equipamentos médicos eletrônicos e eletrodomésticos".
Pense sobre isso! Em 2018, a maior fábrica, legislador e pioneiro do mundo anuncia rotineiramente a produção de 500 nm. Porque Porque é economicamente viável.
O custo de fabricação de um circuito integrado dobra a cada nova etapa dos padrões de projeto, e a diferença entre 28 nm e 180 nm é dezenas de vezes. Quando você cria uma placa de vídeo que planeja vender em centenas de milhões de peças, o custo do chip não é tão importante (mas, a propósito, o custo de softwares mais caros, casos específicos etc. desempenham um papel), mas se você for liberar apenas dez mil Como o ASIC é complicado para controlar um conversor DC / DC, a diferença entre 180 e 350 nm pode muito bem determinar o retorno do seu produto.
Especialmente se o seu produto não for puramente digital. O site TSMC não é muito aberto a pessoas de fora, mas não apenas por elas. Vamos ao
local da fábrica da XFAB , a propósito bastante popular na Rússia. A seção "tecnologia" possui uma lista longa, com várias opções para cada padrão de design. Um processo para circuitos analógicos, outro para energia, no terceiro existem fotodetectores embutidos ...
Se você abrir a
folha de dados da tecnologia de processo XP018 (180 nm), veremos dezenas de tipos de transistores dentro e tantos resistores e capacitores. Neste caso, preste atenção ao valor limite de Vgs - a tensão no portão do transistor, não haverá apenas e não muito esperado para 180 nm 1,8 Volts, mas também 5 Volts! De fato, esse processo técnico não é apenas de 180 nm, ele pode ser implementado em um único chip transistores de 180 nm para lógica rápida e de baixa potência, transistores de 500 nm para circuitos analógicos e circuitos de entrada e saída e interruptores de 1000 nm capazes de trabalhe com tensões de dezenas de volts. E os TSMCs no mesmo chip também podem ter transistores de 90, 65 e 40 nm, que diferem não apenas na geometria, mas também nos níveis de dopagem e na espessura dielétrica da porta, que determinam os modos de operação do transistor. O custo total de produção de um chip é geralmente comparável aos padrões de design mais finos disponíveis: o custo das máscaras para fotolitografia aumenta de maneira não linear com uma diminuição nos padrões de design, mas as máscaras adicionais para opções mais grossas aumentam o custo linearmente, em alguns por cento cada.
Mas e se no seu projeto a parte principal for ocupada por transistores de alta tensão e houver muito pouca lógica? Se você puder tolerar a transferência de lógica de 40 nm para 180 ou de 180 para 600, poderá economizar muito dinheiro. E depois de remover a lógica de 180 nm, o processo de fabricação XP018 se transforma magicamente no
processo de fabricação XHB06 com padrões de design de 600 nm e, ao mesmo tempo, torna-se significativamente mais barato de fabricar.
É daí que vem a carga de tecnologias irremediavelmente ultrapassadas: o mundo exige não apenas novos processadores para telefones celulares, mas também novos drivers para LEDs no flash, circuitos de controle para motores elétricos em veículos não tripulados e apenas microcontroladores para manequins e máquinas de lavar. E, por exemplo, para um mercado em rápido crescimento como a Internet das coisas, não é tão importante a produtividade quanto o baixo consumo de energia, do qual as tecnologias avançadas não podem se orgulhar. E o mesmo TSMC agora está desenvolvendo ativamente não apenas a tecnologia de processo de 5 nm, mas também novas opções para o processo de 20 nm, o que tornará as novas gerações de dispositivos IoT melhores e mais baratas.
Por exemplo, um anúncio da Global Foundries sobre sua tecnologia para a Internet de chips de coisas, há uma dúzia de processos tecnológicos, de 22 a 180 nm. Cerca de 7 a 10 da questão).
Quanto custa e onde posso obtê-lo?A primeira e mais importante coisa a entender: muito dinheiro (dezenas ou centenas de milhares de dólares por ano) custa CAD. Mas há boas notícias. Se você não considerar as opções para a pirataria, em primeiro lugar, várias universidades têm licenças para CAD (quem sabe, talvez seja a hora de visitar a alma mater) e, em segundo lugar, em grandes padrões de design, você pode coletar uma rota de design com diferentes graus de conveniência e tula universitária. Existe o
VLSI elétrico (totalmente gratuito, GNU), existe um editor de topologia
Magic , existe um simulador
Icarus verilog e, de fato, muito mais. O mais difícil é verificar a conformidade da topologia com as regras de projeto (DRC) e verificar a conformidade da topologia e do circuito (LVS), mas a 180-350-600 nm é bastante realista fazê-las no mesmo VLSI elétrico.
Também é útil ir ao
Opencores.org e ver que existem muitos projetos prontos e semi-acabados com vários graus de complexidade. Aqui, por exemplo, você pode encontrar o processador openRISC e já testado no processador de arquitetura de silício.
Quanto custa a produção?Aqui, a pergunta mais difícil nem é onde conseguir o dinheiro, mas como fazer a fábrica falar com você em geral. Há uma conversa especial sobre as realidades russas, é inútil ir para Mikron, mas é possível que esteja queimado na produção inchada desde a época de Brezhnev, que, talvez, mais de uma dúzia tenha sobrevivido em diferentes partes da Rússia. Quanto às fábricas estrangeiras, então, com uma probabilidade de 100%, você precisará de uma entidade legal e, mesmo com ela, a maioria das fábricas pensará, perguntará sobre seus planos de produção em massa, etc. etc. A maioria, mas não todas, para que você possa tentar. E você ainda pode ir para a alma mater e tentar fazer através delas, para universidades e a atitude é sempre boa, e os preços podem muito bem ser mais fiéis.
De qualquer forma, para verificar o desempenho do design antes do lançamento da série, a maioria das fábricas tem um serviço MPW (Multi-Project Wafer) - por uma quantia modesta de dinheiro que eles fornecem a você uma área (geralmente de 9 a 10 a 25 milímetros quadrados), eles coletam muitos desses projetos juntos, produzem e emitem para cada participante várias dezenas de chips. Esta é uma rota de produção padrão usada por pequenas empresas em todo o mundo. O custo do MPW para os padrões de projeto de 180-600 nm em diferentes fábricas está na faixa de 500-1500 euros por milímetro quadrado, a produção leva de 3 a 6 meses. Um pequeno lote de série provavelmente custará de 50 a 200 mil euros, dependendo da fábrica, das especificações do projeto etc. etc.
Para os padrões de design de 28 a 20 e mais, falaremos sobre centenas de milhares de euros para o lançamento de um teste e milhões para a produção em série.
Exemplos de preços para MPW podem ser encontrados no site do grande agregador de universidades
Europractice . Certamente, devemos ter em mente que esses são preços para as universidades, mas a diferença com os preços para meros mortais não é muito grande.
É bem possível para uma startup encontrar dez mil euros para o lançamento (mas, é claro, neste caso esse é apenas um e não o maior item de despesa), mas para um amador é provavelmente um pouco caro. Mas dez milímetros quadrados são realmente muitos, e você provavelmente pode tentar ingressar em um projeto universitário ou encontrar mais alguns dos mesmos entusiastas e iniciar uma startup com um picador para implementar vários projetos em um chip. Novamente, isso é mais barato do que montar sua própria produção na garagem e, no final, você terá diversão técnica suficiente com a embalagem (se não encomendar na fábrica), tábuas de pão e equipamentos de medição.
E finalmente - apenas um pouco sobre as "impressoras 3D para microcircuitos". Um conjunto clássico de equipamentos para produção custa de centenas de milhões de dólares a dezenas de bilhões, e você terá que investir a mesma quantia em uma sala adequada, mas por algum tempo no Japão, o projeto
Minimal Fab foi desenvolvido, cujo objetivo final é declarado a possibilidade de produzir microchips pelo menos individualmente, sem uma sala limpa e requisitos complexos de infraestrutura e, por várias ordens de magnitude, menos dinheiro. Se tudo der certo, será um marco muito importante na história da indústria de semicondutores e a tornará muito mais acessível e flexível.
Então, de acordo com os autores, será semelhante.
Não sigo esse projeto em detalhes, mas no ano passado seus representantes já estavam em exposições e conferências da indústria russa e negociavam suprimentos. Pelo que entendi, agora eles já estão perto de garantir um ciclo de produção completo, e estamos falando de padrões de design na faixa entre 500 e 100 nm.