www.svethardware.cz
>
>
>
>
>
>
>
>

Výrobní technologie - kam kráčíš, SOI?

Výrobní technologie - kam kráčíš, SOI?
, , článek
V dnešním článku zaměřeném na výrobní technologie se vrátíme k technologii SOI a podíváme se, kam se ubírá její vývoj v posledních letech. Potom si také uvedeme novinky v oblasti moderních výrobních technologií používaných v polovodičovém průmyslu...
K oblíbeným
Kapitoly článku:
reklama
V dnešním článku se vrátíme k technologii SOI (Silicon On Insulator, křemík na izolantu) a SSOI (Strained SOI, napnutému křemíku na izolantu) a podíváme se i na další moderní metody výroby čipů. Výrobní technologie jsou bez pochyby alfou a omegou polovodičového průmyslu - bez miniaturizace a pokroku v oblasti výrobních technologií, pokročilejší litografie a vybavení pro zpracování waferů by nebylo možné vyrábět stále rychlejší a výkonnější procesory a stejně tak by nebylo možné pravidelně zvyšovat kapacitu pamětí. A přitom za stále nižší cenu...

To vše se děje, tak nějak mimo dohled, daleko od nás zákazníků. Pokrok v oblasti výpočetní techniky a stejně tak pokrok v oblasti elektroniky vnímáme jako přirozený vývoj a bereme jej jako samozřejmost. Situace ale není tak jednoduchá, zejména ne v oblasti mikroprocesorové techniky, která je o mnoho let před spotřební elektronikou. Požadavky na ještě vyšší výkon, na snižování spotřeby, případně na ještě lepší poměr výkon/spotřeba, jsou nikdy nekončící a ženou vývoj vpřed stále neuvěřitelným tempem.


Wafer neboli "křemíková oplatka" - zde 300mm wafer s testovacími čipy vyrobenými pomocí 45nm technologie, zdroj: Intel
- klikněte pro zvětšení -

Než se vrhneme na novinky, v krátkosti si zopakujeme principy fungování technologie křemíku na izolantu, případně technologie "napnutého křemíku", jako již tradičních metod používaných nejen při vzniku mikroprocesorů.

V současné době používají technologii SOI například firmy AMD, Freescale nebo IBM. Řada firem dává přednost technologii napnutého křemíku, jako například Intel nebo Texas Instruments. Paradoxně, stejně jako zástupci technologie SOI, nebo pouze napnutého křemíku (a "bulk" technologie), obvykle předkládají, s ohledem na tu kterou technologii, obdobná pro i proti - střetává se zde složitost výroby, spotřeba a výkon budoucích tranzistorů a v neposlední řadě také požadavky na cenu. Obecně se ale výrobci snaží držet svých osvědčených řešení, bez nějakých technologických výstřelků, a materiály a technologie vedoucí ke vzniku tranzistoru se snaží měnit co nejméně. Začněme tedy slíbenou rekapitulací.


Technologie SOI - tajemství šéfkuchaře


Jak zaznělo v úvodu, SOI znamená v překladu "křemík na izolantu". Prakticky se jedná o oddělení substrátu a vrstvy křemíku tenkou vrstvou izolantu (typicky vrstvičkou SiO2). Zřejmě první komerční nasazení patří v procesorovém průmyslu IBM, v procesorech PowerPC. Zde se SOI technologie používá již od začátku roku 2000, ale první zmínky PR se o připravovaném nasazení SOI technologie u IBM datují až do roku 1998 (výzkumné projekty a vývoj ale trval již od konce osmdesátých let ).


IBM PowerPC RS64 IV je nezaměnitelně součástí SOI historie - 44 milionů tranzistorů, 128 mm2 a 0,18µm SOI výrobní technologie, zdroj: IBM

Na trhu x86 procesorů, které jsou běžným uživatelům zřejmě neporovnatelně blíže, má uvedení na svědomí AMD v procesorech AMD Opteron a následně AMD Athlon 64 (s použitím 130nm výrobní technologie), uvedených během roku 2003. Dosažení přijatelné výtěžnosti u této technologie si ale vyžádalo čas a celá AMD64 architektura byla opožděna. AMD nakonec zaplatilo IBM za potřebné "know-how" a situace pak rychle utichla díky nasazením rychlejších procesorů s taktem přes 2 GHz (u testovacích čipů se frekvence pohybovala okolo pouhých 800 MHz). Výtěžnost bohužel nebyla zrovna ideální i podle tvrzení zaměstnanců AMD, ale prakticky totožné problémy provázelo i uvedení prvních procesorů PowerPC od IBM (také založených na SOI, v kombinaci s tehdy novou technologií měděných mezispojů). AMD64 předznamenala menší procesorovou revoluci a v každém případě jsou nyní časy potíží se SOI technologií již dávnou minulostí.

Nasazení SOI v x86 procesorech také vedlo k "popularizaci" SOI technologie. Trh se SOI wafery vykazuje za poslední roky pravidelně až dvouciferný růst (jedná se o oblíbenou technologii nasazovanou hlavně v high-tech odvětvích). Mezi nejvýznamnější výrobce SOI waferů patří již mnohokrát zmíněný Soitec (největší producent SOI waferů s přibližně 67 procenty trhu) nebo výrobci jako například Ultrasil, Semicon Inc a další. Přes velký mediální "boom" začátkem tohoto desetiletí urazila SOI technologie velký kus cesty, ale podle ohlasů řady výrobců se nasazení SOI bude stále týkat pouze vybraných částí trhu (ačkoliv má SOI potenciál v řadě nasazení přinést i možné snížení ceny, SOI wafery jsou ale stále podstatně dražší než "bulk" technologie).

Za samotným SOI stojí několik technologických postupů, které jsou používány k vytvoření SOI waferu. Asi nejznámější je zřejmě technologie Smart Cut od francouzské firmy Soitec, která patří mezi metody založených na spojování waferů (wafer bonding; obdobně jako technologie ELTRAN od Canonu a NanoCleave od Silicon Genesis Corporation) nebo technologie SIMOX. U technologie Smart Cut je vytvořena tepelnou oxidací vrstvička oxidu křemíku a v předem určené vrstvě waferu je pomocí implantace atomů vodíku vrstva na waferu narušena a wafer otočen s spojen s dalším waferem. Následuje proces chemicko-mechanického leštění (CMP, Chemical-Mechanical Planarization) a wafer je po uříznutí prakticky hotov.


Schéma tvorby SOI waferu technologií Smart Cut od Soitecu (jméno Soitec je mimochodem zkratka odvozená ze zkratky SOI Technologies), zdroj: wikipedia

Další technologie používaná k tvorbě SOI waferu je například metoda SIMOX. Zde je pomocí iontové implantace pod povrchem waferu vytvořena vrstvička, která po vystavení waferu vysokým teplotám v peci vytvoří požadovanou izolační vrstvičku SiO2.


Schéma tvorby SOI waferu technologií SIMOX, zdroj: wikipedia

Obě metody slouží tedy ke stejnému účelu a to vytvoření SOI waferu. SOI technologie tak doplňuje klasické "Si" wafery a výrazným zůsobem umožnila snížít spotřebu a zvýšit výkon vytvářených tranzistorů. U SOI tranzistoru se sníží parazitní jevy, úniky proudu a tranzistor je schopen dosáhnout vyšší frekvence přepínání - a to vše při nižší spotřebě. U výrobního procesu 45 nm IBM uvádí snížení spotřeby až o 40 procent a až o 30 procent výšší výkon tranzistorů (ve srovnání s "bulk" technlogií). SOI tedy poskytuje vyšší výkon a další možnosti růstu výkonu současných procesorů. V závislosti na zdroji a výrobní technologii se při použití SOI uvádí zlepšení parametrů tranzistoru o polovinu až celou generaci výrobního procesu.

Ačkoliv jsou SOI wafery stále dražší než "bulk" technologie, ve výsledku podle řady studií přináší i snížení nákladů. Podle Semico Research jsou největší rozdíly dosahovány u velkých čipů a možná úspora roste i s nasazením pokročilejších výrobních technologií.


Přínos nasazení SOI technologie a vliv na cenu vhledem k velikosti čipu - zohledněna je velikost čipu, výrobní technologie a počet potřebných masek ke zpracování waferu s předpokladem použítí základních technik pro optimalizaci návrhu aktivní logiky se SOI technologií (nezohledňuje možné optimalizace pro paměť/cache), zdroj: Semico Research

O snadný přístup k SOI technologii a k jejímu většímu rozšíření velkým dílem přispívá SOI Industry Consortium, které má již 24 členů. Patří mezi ně i velikáni jako IBM, Samsung, TSMC a samozřejmě AMD jako velký zastánce SOI technologie. Dále firmy jako nVidia, ARM, Freescale, řada výrobců SOI waferů jako Soitec či Applied Materials a další. Kompletní seznam členů naleznete na stránkách SOI Industry Consortium.

SOI wafery samozřejmě nejsou v polovodičovém průmyslu konečnou zastávkou. Dalším krokem k vyššímu výkonu může být použití technologie SSOI (neboli kombinace "napnutého křemíku" a "křemíku na izolantu").
reklama
Nejnovější články
NASA pátrá po zbytcích Beresheet, přežít mohlo laserové "zrcátko" NASA pátrá po zbytcích Beresheet, přežít mohlo laserové "zrcátko"
Beresheet narazil do Měsíce rychlostí, že neměl šanci přežít v celku, ovšem NASA předpokládá, že zařízení Lunar Retroreflector Array (LRA) přežít mohlo. Jeho úkolem je odrážet laserové paprsky a přesně tak se jej NASA pokusí najít.
19.4.2019, aktualita, Jan Vítek
Sega Mega Drive Mini jsou k předobjednání Sega Mega Drive Mini jsou k předobjednání
Nedávno byly představeny nové mini-retro konzole Sega Mega Drive Mini, které mají dorazit na trh během letošního září. Sega přitom změnila vývojářský tým, který na nich pracuje a slíbila další hry nad rámec těch původně slíbených. 
19.4.2019, aktualita, Jan Vítek
NASA konečně detekovala nejstarší typ molekul vesmíru NASA konečně detekovala nejstarší typ molekul vesmíru
Už dlouho se předpokládá, že pravděpodobně nejstarší typ molekul ve vesmíru byla HeH, čili prostý dvouprvkový hydrid helia. Je to celkem logické uvažování, když helium a vodík jsou nejstarší prvky. Až nyní to ale máme potvrzeno pozorováním.
19.4.2019, aktualita, Jan Vítek
Jiří Olšanský 'Rik_Leah': co to znamená být streamer? Jiří Olšanský 'Rik_Leah': co to znamená být streamer?
YouTube je sice coby platforma pro upload videí nadále velmi populární, ale v případě pravidelného streamování (živého vysílání i několik hodin v kuse) se těší větší oblibě Twitch.tv. Přinášíme vám tak rozhovor s někým, kdo se tomu už delší dobu věnuje.
19.4.2019, rozhovor, Karel Polívka
Video: Kolik robotů SpotMini od Boston Dynamics utáhne náklaďák? Video: Kolik robotů SpotMini od Boston Dynamics utáhne náklaďák?
Společnost Boston Dynamics, která je známá svými pokročilými roboty, zveřejnila na YouTube krátké video, ve němž předvádí další kousky, které jsou její stroje schopné vykonat. Tentokrát se zaměřila na celou smečku robotů SpotMini. 
18.4.2019, aktualita, Kateřina Hoferková