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台积电早期 5nm 测试芯片良率 80% HVM 将于 2020 上半年推出

2019-12-12 16:30
世纪电源网
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在今天的 IEEE 国际电子器件大会(IEDM 2019)上,台积电概述了其在 5nm 工艺上取得的初步成果。目前,该公司正在向客户提供基于 N7 和 N7P 工艺的产品。但在向 5nm 进发的时候,两者贾昂共享一些设计规则。据悉,与 7nm 衍生工艺相比,N5 新工艺将增加完整的节点,并在 10 层以上广泛使用 EUV 技术,以减少 7nm+ 制程的总步骤。此外,台积电会用上第五代 FinFET 技术。

(题图 via AnandTech)

TSMC 表示,其 5nm EUV 可将密度提升约 1.84 倍、能效提升 15%(功耗降低 30%)。当前测试的芯片有 256 Mb SRAM 和一些逻辑器件,平均良率为 80%、峰值为 90% 。显然,尽管新工艺能够缩小现代移动芯片的大小,但收益率要低得多。目前新技术正在处于早期测试阶段,预计可在 2020 上半年转入量产,预计 5nm 成品芯片可在 2020 下半年准备就绪。

目前 TSMC 7 nm 工艺可在每平方面积上堆积 1 亿个晶体管(约 96.27 mTr / mm2),5nm 新工艺可达 177.14 mTr / mm2作为试产的一部分,TSMC 会制造大量的测试芯片,以验证新工艺是否如预期般推进。其中包括一种静态随机存储(SRAM),以及一种 SRAM + 逻辑 I/O 芯片。
TSMC 展示了具有大电流(HC)和高密度(HD)特性的 SRAM 单元,尺寸分别为 25000 / 21000 平方纳米。同时,该公司正在积极推广有史以来最小的 HD SRAM 。

至于组合芯片,TSMC 表示其包含了 30% SRAM、60% 逻辑(CPU / GPU)、以及 10% 的 IO 组件。SRAM 部分为 256 Mb,所占面积为 5.376 平方毫米。不过 TSMC 指出,该芯片不包含自修复电路,意味着我们无需添加额外的晶体管,即可实现这一功能。若 SRAM 占芯片的 30%,则整个芯片面积为 17.92 平方毫米左右。
目前 TSMC 公布的平均良率约为 80%,单片晶圆的峰值良率则高于 90% 。但 17.92 平方毫米的面积,意味着它并非高性能的现代工艺芯片。

通常情况下,芯片制造商会首先咋移动处理器上小试牛刀,以分摊新工艺的高昂成本吗,比如基于 7nm EUV 的麒麟 990 5G SoC(面积接近 110 平方毫米)。尽管 AMD Zen 2 芯片看起来很大,但并非所有组件都采用 EUV 工艺生产。不过展望未来,它也更适合迁移至 5nm EUV 。

在台积电试产的 CPU 和 GPU 芯片中,眼尖的网友,应该可以看出一些端倪,比如通过芯片可以达成的频率来逆推良率。在 TSMC 公布的数据中,CPU 可在 0.7 V 电压下实现 1.5GHz 主频,并在 1.2 V 电压下达成 3.25 GHz 频率。
至于 GPU,图中显示可在 0.65 V 时实现 0.66 GHz 频率,并在 1.2V 电压下提升至 1.43 GHz 。

对于未来的芯片来说,支持多种通信技术,也是一项重要的能力。因此在测试芯片中,TSMC 还介绍了高速 PAM-4 收发器。此前,我们已在其它地方见到过 112 Gb / s 的收发器。而 TSMC 能够以 0.76 pJ / bit 的能源效率,达成同样是速率。
若进一步推动带宽,TSMC 还可在肉眼可见的公差范围内取得 130 Gb / s 的成绩,且此时能效为 0.96 pJ / bit 。(对 PCIe 6.0 等新技术来说是好事)

为了改进越来越复杂的 EUV 工艺,TSMC 在基于 193 nm 的 ArF 浸没式光刻技术上花费了很多心思。曾经 28nm 制程的 30~40 道掩膜,现已在 14 / 10nm 上增加到了 70 道。有报道称,一些领先的工艺,甚至超过了 100 道掩膜。好消息是,TSMC 在文中表示,其将在 10 曾以上的设计中广泛使用精简掩膜的新技术。

在 IEDM 上,TSMC 还描述了七种不同的晶体管供客户挑选,包括高端的 eVT 和低端的 SVT-LL,uLVT、LVT 和 SVT(这三种都是低泄漏 / LL 的衍生版本),以及从 uLVT 大幅跳跃到的 eLVT 。


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