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Comment les nœuds de processus sont-ils définis ? – ExtrêmeTech

Nous parlons beaucoup des nœuds de processus chez High-teK.ca, mais nous ne nous référons pas souvent à ce qu’est techniquement un nœud de processus. est. Avec le nœud 10 nm d’Intel maintenant en production et TSMC + Samsung parlant des futurs nœuds 5 nm et 3 nm, c’est le bon moment pour revenir sur le sujet, en particulier la question de savoir comment TSMC et Samsung se comparent à Intel.

Les nœuds de processus sont généralement nommés avec un nombre suivi de l’abréviation de nanomètre : 32 nm, 22 nm, 14 nm, etc. Il n’y a pas de relation fixe et objective entre une caractéristique du CPU et le nom du nœud. Ce n’est pas toujours le cas. Depuis environ les années 1960 jusqu’à la fin des années 1990, les nœuds ont été nommés en fonction de leurs longueurs de porte. Ce graphique de l’IEEE montre la relation :

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Pendant longtemps, la longueur de la porte (la longueur de la porte du transistor) et le demi-pas (la moitié de la distance entre deux caractéristiques identiques sur une puce) correspondaient au nom du nœud de processus, mais la dernière fois que cela était vrai, c’était 1997. Le demi-pas a continué à correspondre au nom du nœud pendant plusieurs générations, mais n’y est plus lié en pratique. En fait, cela fait très longtemps que notre mise à l’échelle géométrique des nœuds de processeur correspond réellement à ce à quoi ressemblerait la courbe si nous avions pu continuer réellement réduction de la taille des fonctionnalités.

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Bien en dessous de 1 nm avant 2015 ? Fantaisie agréable.

Si nous avions atteint les exigences de mise à l’échelle géométrique pour synchroniser les noms de nœuds et les tailles réelles des fonctionnalités, nous aurions plongé en dessous de 1 nm de fabrication il y a six ans. Les nombres que nous utilisons pour signifier chaque nouveau nœud ne sont que des nombres que les entreprises choisissent. En 2010, l’ITRS (plus sur eux dans un instant) faisait référence à la technologie chum bucket déversée à chaque nœud comme permettant une « mise à l’échelle équivalente ». Alors que nous approchons de la fin de l’échelle nanométrique, les entreprises peuvent commencer à se référer aux angströms au lieu des nanomètres, ou nous pouvons simplement commencer à utiliser des points décimaux. Lorsque j’ai commencé à travailler dans cette industrie, il était beaucoup plus courant de voir des journalistes se référer à des nœuds de processus en microns au lieu de nanomètres – 0,18 micron ou 0,13 micron, par exemple, au lieu de 180 nm ou 130 nm.

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Comment le marché s’est fragmenté

La fabrication de semi-conducteurs implique d’énormes dépenses en capital et de nombreuses recherches à long terme. La durée moyenne entre le moment où une nouvelle approche technologique est introduite dans un article et le moment où elle atteint une fabrication commerciale à grande échelle est de l’ordre de 10 à 15 ans. Il y a des décennies, l’industrie des semi-conducteurs a reconnu qu’il serait dans l’intérêt de tous qu’une feuille de route générale existe pour les introductions de nœuds et les tailles de fonctionnalités que ces nœuds cibleraient. Cela permettrait le développement large et simultané de toutes les pièces du puzzle nécessaires pour mettre un nouveau nœud sur le marché. Pendant de nombreuses années, l’ITRS – l’International Technology Roadmap for Semiconductors – a publié une feuille de route générale pour l’industrie. Ces feuilles de route s’étalent sur 15 ans et fixent des objectifs généraux pour le marché des semi-conducteurs.

Feuille de route des semi-conducteurs

Image par Wikipédia

L’ITRS a été publié de 1998 à 2015. De 2013 à 2014, l’ITRS s’est réorganisé en ITRS 2.0, mais a rapidement reconnu que la portée de son mandat, à savoir fournir «la principale référence dans l’avenir pour les chercheurs universitaires, des consortiums et de l’industrie afin de stimuler l’innovation dans divers domaines de la technologie. ” a obligé l’organisation à étendre considérablement sa portée et sa couverture. L’ITRS a été retiré et une nouvelle organisation a été formée appelée IRDS – International Roadmap for Devices and Systems – avec un mandat beaucoup plus large, couvrant un ensemble plus large de technologies.

Ce changement de portée et d’orientation reflète ce qui se passe dans l’industrie de la fonderie. La raison pour laquelle nous avons cessé de lier la longueur de la porte ou le demi-pas à la taille du nœud est qu’ils ont soit arrêté la mise à l’échelle, soit commencé à la mettre à l’échelle beaucoup plus lentement. Comme alternative, les entreprises ont intégré diverses nouvelles technologies et approches de fabrication pour permettre une mise à l’échelle continue des nœuds. À 40/45 nm, des sociétés comme GF et TSMC ont introduit la lithographie par immersion. Le double motif a été introduit à 32 nm. La fabrication Gate-last était une caractéristique de 28 nm. Les FinFET ont été introduits par Intel à 22 nm et le reste de l’industrie au nœud 14/16 nm.

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Les entreprises introduisent parfois des fonctionnalités et des capacités à des moments différents. AMD et TSMC ont introduit la lithographie par immersion à 40/45 nm, mais Intel a attendu jusqu’à 32 nm pour utiliser cette technique, choisissant de déployer d’abord le double motif. GlobalFoundries et TSMC ont commencé à utiliser davantage le double motif à 32/28 nm. TSMC a utilisé la construction gate-last à 28 nm, tandis que Samsung et GF ont utilisé la technologie gate-first. Mais comme les progrès ont ralenti, nous avons vu des entreprises s’appuyer davantage sur le marketing, avec un plus grand nombre de «nœuds» définis. Au lieu de tomber en cascade sur un espace numérique assez large (90, 65, 45), des entreprises comme Samsung lancent des nœuds qui se superposent numériquement :

Une différence majeure entre TSMC et Samsung à 3 nm : Samsung déploiera des GAAFET (Gate-All-Around FET), tandis que TSMC continuera à utiliser des FinFET pour une autre génération.

Je pense que vous pouvez affirmer que cette stratégie de produit n’est pas très claire, car il n’y a aucun moyen de savoir quels nœuds de processus sont des variantes évoluées des nœuds précédents à moins que vous n’ayez le graphique à portée de main.

Bien que les noms de nœud ne soient pas lié à n’importe quelle taille de fonctionnalité spécifique, et certaines fonctionnalités ont cessé d’évoluer, les fabricants de semi-conducteurs trouvent toujours des moyens d’améliorer les métriques clés. C’est une véritable amélioration technique. Mais parce que les avantages sont plus difficiles à obtenir maintenant et prennent plus de temps à se développer, les entreprises expérimentent davantage ce qu’il faut appeler ces améliorations. Samsung, par exemple, déploie beaucoup plus de noms de nœuds qu’auparavant. C’est du marketing.

Pourquoi les gens affirment-ils qu’Intel 10 nm et TSMC/Samsung 7 nm sont équivalents ?

Parce que les paramètres de fabrication du processus 10 nm d’Intel sont très proches des valeurs que TSMC et Samsung utilisent pour ce qu’ils appellent un processus 7 nm. Le tableau ci-dessous est tiré de WikiChip, mais il combine les tailles de caractéristiques connues pour le nœud 10 nm d’Intel avec les tailles de caractéristiques connues pour le nœud 7 nm de TSMC et de Samsung. Comme vous pouvez le voir, ils sont très similaires :

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Image par ET, compilée à partir de Les données à Puce Wiki

La colonne delta 14 nm / delta 10 nm montre dans quelle mesure chaque entreprise a réduit une fonctionnalité particulière par rapport à son nœud précédent. Intel et Samsung ont un pas métallique minimum plus serré que TSMC, mais les cellules SRAM haute densité de TSMC sont plus petites que celles d’Intel, reflétant probablement les besoins des différents clients de la fonderie taïwanaise. Les cellules de Samsung, quant à elles, sont encore plus petites que celles de TSMC. Dans l’ensemble, cependant, le processus 10 nm d’Intel atteint de nombreuses mesures clés comme ce que TSMC et Samsung appellent 7 nm.

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Les puces individuelles peuvent toujours avoir des caractéristiques qui s’écartent de ces tailles en raison d’objectifs de conception particuliers. Les informations fournies par les fabricants sur ces chiffres concernent une implémentation typique attendue sur un nœud donné, pas nécessairement une correspondance exacte pour une puce spécifique.

On s’est demandé dans quelle mesure le processus 10 nm + d’Intel (utilisé pour Ice Lake) reflète ces chiffres (qui, je crois, ont été publiés pour Cannon Lake). Il est vrai que les spécifications attendues pour le nœud 10 nm d’Intel ont peut-être légèrement changé, mais 14 nm + était également un ajustement par rapport à 14 nm.

Nous ne savons pas encore comment le prochain processus 7 nm d’Intel se comparera aux nœuds de processus 5 nm et 3 nm qui seront disponibles auprès de TSMC et de Samsung au moment où le nœud d’Intel sera prêt. Intel a déclaré qu’il souhaitait regagner le leadership global du processus de 5 nm. Le meilleur des cas pour le lancement de ce nœud est probablement fin 2024 – début 2025.

Tout rassembler

La meilleure façon de comprendre la signification d’un nouveau nœud de processus est de le considérer comme un terme générique. Lorsqu’une fonderie parle de déployer un nouveau nœud de processus, ce qu’elle dit se résume à ceci :

« Nous avons créé un nouveau processus de fabrication avec des fonctionnalités plus petites et des tolérances plus strictes. Pour atteindre cet objectif, nous avons intégré de nouvelles technologies de fabrication. Nous appelons cet ensemble de nouvelles technologies de fabrication un nœud de processus parce que nous voulons un terme générique qui nous permette de saisir l’idée de progrès et d’amélioration des capacités.

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