Évolution des technologies des composants

Évolution des technologies des
composants commerciaux
Philippe Perdu DCT/AQ/LE
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
1
Objectifs de la présentation
¾Composants commerciaux pour applications
professionnelles: Etat des lieux
¾Domaines concernés limités
o Nanotechnologie, (V) DSM (90, 65, 45 nm)
o VLSI numériques
• haute performance
• Basse consommation
o Ne représente qu’une (petite) partie des composants commerciaux
¾Situer le contexte des VLSI pour applications industrielles,
médicales, militaires et spatiales …
o Indiquer les tendances technologiques pour les années à venir
(horizon 2010 et au delà)
o Présenter les aspects économiques liés à ces tendances
technologiques et aux marchés
o Identifier les conséquences principales et les défis importants pour
les petits volumes et fortes contraintes
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
2
Contexte de la nanoélectronique
¾Petit rappel de la loi de Moore
o Le facteur d’homothétie S appliquée à la réduction des dimensions
spatiales d’une nouvelle technologie par rapport à la précédente est
constant et égal à 0.7.
o Le nombre de transistors par unité de surface (la densité
d’intégration) double donc à chaque génération.
o C’est une règle empirique qui sert néanmoins d’indicateur à
l’industrie du semiconducteur
o Le changement de technologie se fait tous les 2 ans environ (3 ans au
départ)
¾Des questions fondamentales se posent
o Jusqu’à quel moment cette loi sera-t-elle applicable?
• évolutions technologiques
• Éléments économiques
o Quels sont les produits / applications concernés
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
3
Loi de Moore (1)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
4
Loi de Moore (2)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
5
Loi de Moore (3)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
6
Loi de Moore (4)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
7
Loi de Moore (5)
“No exponential is
forever…
but forever can be
delayed”
Gordon Moore,
2003 ISSSC Conference
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
E=V/α
8
Loi de Moore (6)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
9
More than More (1)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
10
More than More (2)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
11
Beyond CMOS, bottom up …
¾Des projections à l’horizon 2015 montrent que l’approche actuelle, dite
“top down” sera limitée en raison des investissements considérables à
réaliser de l’ordre de 200 Md$ pour une unité de fabrication.
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
12
Domaine concerné: More Moore
¾VLSI (numériques) haute performance
o ASICs
o Microprocesseurs
o…
¾L’évolution des technologies permet
o D’augmenter les performances (fréquence et intégration)
o …Pour la même surface
o Amélioration de la consommation par porte
• ATMEL 180nm CMOS 5,5 Mportes, conso 85nW/MHz/Porte
• ST 90 nm CMOS 15Mportes, conso 18nW/MHz/Porte
o Mais pose de nombreux problèmes technologiques et
économiques
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
13
Évolution de l’intégration (1)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
14
Évolution de l’intégration (2)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
15
Évolution des technologies (1)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
16
Évolution des technologies (2)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
17
FEOL: performances électriques
¾ Augmenter la fréquence de
fonctionnement, diminuer les
délais
o IDsat
• Mobilité
• Capacité de grille
Cox μ Z (VGS − VT )
I Dsat =
2L
¾ Diminuer la puissance
dissipée
2
Cox =
ε ox
tox
substrate
o nW/MHz/Gate (réalisé par le scaling)
• ( V t IDsat))
Vdd
o Fuite les plus réduites possibles
(pire par le scaling)
• Ioff (SCE, DIBL)
• Igate (Gate Oxide Thickness!)
DIBL
SCE
¾Compromis délicats à réaliser
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
18
FEOL: High K dielectric
¾ High K dielectric
o Equivalent Oxide Thickness Tox = T HighK * (3.9/K), HfO2 (20-25)
o Materials, process, integration issues to solve (thermal stability, thermal &
chemical compatibility …),
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
19
FEOL: Metal gate
¾ Polysilicon depletion in
gate electrode (up to 50 A)
o Tox (electric) = Tox + Wpoly
depletion
o Decrease C
o Reduced Idsat
Depletion Layer
Polysilicon
Gate
Wd,Poly
¾ Doped polysilicon
o Wpoly depletion ~ (poly doping) 0.5
o increase poly doping to reduce
Wpoly depletion with scaling but
max. poly doping is limited
o Poly depletion become more
critical with Tox scaling
Gate Oxide
Substrate
¾ Metal gate electrodes
o Better for: ρ, VT …
o Induce new reliability issues
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
Inversion Layer
20
FEOL: Strained silicon
¾ Stressed Si, Si Ge
o SiGe increases hole mobility by compressing the channel
o electron mobility enhancement requires tensile strain (SiN cap layer)
From K. Mistry et
al., “Delaying
Forever: Uniaxial
Strained Silicon
Transistors in a
90nm CMOS
Technology,”
2004 VLSI
Technology
Symposium
2 GPa
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
21
BEOL: Electrical performances
¾ Decrease
propagation time
¾Decrease RC (BEOL)
o RP => Metal choice:
copper rather than
aluminum
o CP => low K material
(porous silicon dioxide…)
¾Difficult challenges
Year
2004
2007
2010
2013
2016
Node
90 nm
65 nm
45 nm
32 nm
22 nm
Relative
Permittivity
3.1-3.6
2.7-3.0
2.3-2.6
2.0-2.4
<2.0
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
22
BEOL: Process
¾ (Dual) Damascene copper
o plated on thin Ta/TaN barriers
o CMP
¾ (Porous low K) with SiN/SiCN cap layer
SiC/SiCN
Cu
Ta/TaN
Low K
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
23
Des problèmes différents
¾ Avec les nouvelles technologies:
o Certains problèmes s’améliorent ou disparaissent
o D’autres apparaissent ou s’aggravent
¾ => le choix, la Qualification des produits doit prendre
en compte ces différences
o Eviter la sur conception (coût, délai)
o Eviter la sous conception (risque)
¾ Quelques exemples BEOL et FEOL
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
24
BEOL: materials
BEOL
materials
SiO2
Relative
permittivity
4.2
Young Modulus Hardness
70 – 80 GPa
7 – 9 GPa
SiOCH
3
11.9 GPa
1.6 GPa
SiOCH
(Porous)
SiN
2.4
3.2 GPa
0,95 GPa
7
160 GPa
20 GPa
SiCN
5
75 GPa
10 GPa
Cu
120 GPa
Ta
100 GPa
TaN
117 GPa
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
25
BEOL: low-k trade-off
Young modulus (GPa)
¾ Permittivity versus mechanical strength (T. Moore et al, 2000)
Relative permittivity
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
26
Mécanismes défaillance BEOL (1)
¾Les courants de fuite et le “claquage” du diélectrique
intermédiaire apparaissent avec les matériaux Low K
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
27
Mécanismes défaillance BEOL (2)
¾ La mauvaise tenue mécanique de ces matériaux Low K
rend difficile l’encapsulation
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
28
Mécanismes défaillance BEOL (3)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
29
FEOL: NBTI (1)
¾ Stress-conditions
o negative electrical field over gate oxide
o p-MOS device in inversion
o elevated temperature
¾ Damages
o stress induced interface states trapping
o fixed positive oxide charges
¾Electrical effects
o increase of the absolute value of Vth
o decrease of the drain current
o decrease of carrier mobility
¾ Still under investigation, NBTI importance could be
related to Si-H bonds in Nitrured gate oxide
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
30
FEOL: NBTI (2)
¾ Comparison of PMOS NBTI lifetimes vs. NMOS and PMOS
HCI, 0.13 µm technology
¾ C.H. Jeon IEEE Integrated Reliability 2002 Workshop, final
repot pp130-132
110°C
150°C
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
31
Tendances: ITRS 2006
¾ Direct consequences of integration (reliability
Technology Requirements) for a long term reliability
targeted between 10 to 100 FITs
¾ Failure rate per transistor
o Overall IC failure rate does not change with time
o Number of transistors per chip increases
o Relative failure rate per transistor must decrease
o Relative from 1 (2005) to 0.2 (2013) => should be divided by 5
¾ Failure rate per m of interconnect
o Length of interconnect per chip increases
o Failure rate per m of interconnect must decrease
o Relative from 1 (2005) to 0.33 (2013) => should be divided by 3
o Jmax (A/cm²) for intermediate wire at 105°C will move from 9 105 to 8 106 !
o Important for reliability is the increase in the number of vias
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
32
Impact possible sur la durée de vie
¾ From Joseph B. Bernstein (University of Maryland &
Barllan University)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
33
Trends: Temperature
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
34
DFR: Dual Vt, Tox … (1)
¾Off-State Leakage Current
o Subthreshold Leakage (ISUB)
o Gate Induced Drain Leakage (IGIDL)
o Edge Directed Tunneling Leakage
(IEDT)
o Band to Band Tunneling Leakage
(IBTBT)
¾ On-State Leakage Current
o Gate Leakage (IGON)
¾Leakage Optimization using
Dual or more Threshold
Voltage
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
35
DFR: Dual Vt, Tox … (2)
¾ Gate Delay and Leakage Tradeoff
T pd ∝
CV dd
(V dd
− V th )
α
¾ Propagation delay has the above dependence on Vt
o Higher Vt means slower gate (larger propagation delay)
o But higher Vt means smaller subthreshold leakage (exponential
dependence!)
¾ Tradeoff between delay versus leakage done at
design level (fast gate or low consumption gate)
¾ The other possibility is to increase gate thickness
o Trade-off between delay (Idsat driven) and leakage
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
36
Dissipation thermique
¾ Les solutions AMD pour diminuer la consommation d’énergie
o AMD CoolCore, qui consistent à désactiver les secteurs du processeur qui
ne sont pas sollicités,
o Dual Dynamic Power Management, qui permet d’alimenter séparément et à
des tensions différentes les coeurs et le contrôleur mémoire,
o Independent Dynamic Core (amélioration de la technologie
AMDPowerNow!), qui met en oeuvre un mécanisme d’adaptation de la
fréquence d’horloge des coeurs,en fonction des critères de performances
spécifiques imposés par les applications supportées par chacun d’entre
eux.
¾AMD et INTEL
o AMD Opteron 1,7GHz puissance électrique moyenne processeur
(dénommée ACP par AMD) de 55W (Thermal Design Power de 68W); Le
modèle le plus performant consomme 75W pour 2 GHz (TDP de 95W).
o INTEL Xeon
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
37
Tous les VLSI ne sont pas HP
¾Les nouvelles technologies permettent d’avoir de très faibles
consommations
o Applications mobiles
o Augmentation « raisonnable » des performances
o Compromis à réaliser (performances HP / Dissipation LP)
¾Les nouvelles technologies permettent de développer de nouvelles
applications
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
38
Considérations économiques (1)
¾Le secteur du semiconducteur, qui ne représente que moins de
1 % d’un PNB mondial évalué à 28.000 milliards de $ en 2000 a
un très fort impact sur l’économie mondiale: c’est la pyramide
inversée
o En 2002, 30 milliards de $ de semi-conducteurs achetés par les
équipementiers, on crée 200 milliards de chiffre d’affaires de ventes de
téléphones portables et 500 milliards de chiffre d’affaires chez les opérateurs.
¾Cela s’explique
décroissant.
un
rapport
de
coûts
exponentiellement
o En 1973 le prix d’un mégabit de mémoire électronique équivalait à 75 000 € ;
il est aujourd’hui de 5 centimes d’€, soit une réduction de coût d’un facteur
d’un million et demi en trente ans.
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
39
Considérations économiques (2)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
40
Considérations économiques (3)
¾La croissance de l’industrie électronique est spectaculaire
o 1,5 milliard de $ en 1965
o 25 milliards de $ en 1985,
o 144 milliards de $ en 1995
o 200 milliards de $ en 2000
o 300 milliards de $ en 2005
¾La masse financière de cette industrie qui, dès 1995, pesait
d’un poids égal aux industries de l’armement et de l’aviation
civile réunies, équivaudra en 2005 à celle des exportations de
l’OPEP.
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
41
Considérations économiques (4)
¾Coût des wafers fab
o Une seule ligne de fabrication (5000 à 7500 tranches 300 mm par semaine en
65 nm) coûte entre 2 et 3 Md$
o Soit environ 1/100 du chiffre d’affaires mondial des semi-conducteurs
o … Mais cette même et unique ligne de fabrication représente plus de 1/40 de
la marge brute idéale de l’ensemble de l’industrie des Semi-conducteurs
¾Coût de développement de nouvelles technologies
o Complexité des opérations de fabrication, diminution constante des
dimensions dans les 3 axes au niveau nanométrique, diminution concomitante
des fenêtres de process, difficulté sans cesse croissante de maîtrise de la
capacité des processus au sens SPC, nombre accru de niveau de masques,
nécessité de multiplier les options technologiques pour maîtriser les courants
sous le seuil, complexité de mise au point les bibliothèques de cellules et blocs
d’IP
o 250nm 300M$, 130nm 600M$, 65nm 1100M$
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
42
Considérations économiques (5)
¾Coût des masques
o Diminution continue des dimensions
critiques, diminution du taux de défauts
admissibles par niveau, introduction de
technologies innovantes (NGL : Next
Generation Lithography)…
¾Coût des Wafers
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
43
Conséquences sur l’organisation
industrielle(1)
¾Dans 5 ans, les technologies 45nm, 65nm et 90nm seront
majoritaires et utiliseront des lignes de fabrication dans la gamme
des 3 G$, totalement hors de portée de certains fabricants de
semi-conducteurs pourtant actuellement dans le top 10
¾Les sociétés à intégration verticale ont commencé depuis
plusieurs années à se séparer de leurs unités de fabrication de
semi-conducteurs (Motorola, Siemens, Hitachi,…) et plus
récemment Philips
¾Des fonds d’investissement ont racheté des sociétés majeures:
On Semiconductor, Philips, Agilent Semiconductor, Philips (NXP)
et Freescale
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
44
Conséquences sur l’organisation
industrielle(2)
¾Les alliances technologiques se sont multipliées à deux, trois
puis n partenaires.
o Des sociétés concurrentes ont allié leurs forces
• plate forme commune IBM, Chartered, Samsung, Amkor
• filiales communes dédiées à un secteur stratégique, Flash par exemple avec la joint
venture d’AMD et de Fujitsu (Spansion).
o Des évènements majeurs récents compliquent la tache au niveau Européen
• Retrait d’Alliance Crolles 2 de NXP (Kohlberg Kravis Roberts & Co, Bain Capital, Silver
Lake Partners, Apax et AlpInvest Partners) et Freescale (Blackstone, Carlyle, Texas
Pacific)
• NXP/TSMC
• Freescale/IBM
¾Recours aux capacités des fonderies singapouriennes
(Chartered) ou chinoises (ASMC, SMIC).
o volumes de production de ces fonderies (> 10000 plaques/semaine par unité)
o importants gains d’échelle par la réduction des frais fixes, amortissement plus facile
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
45
Conséquences sur l’organisation
industrielle(3)
¾Le chiffre d’affaires global des fonderies (17 G$ en 2005) a
tendance à grimper plus vite que le chiffre d’affaires global des
semi-conducteurs
o redistribution complète et globale des acteurs industriels => un fondeur (TSMC) dans le
cercle très fermé des 5 premiers producteurs mondiaux (n° 4).
o et les plus grands fabricants traditionnels font désormais appel à eux massivement
(IBM envisagerait d’externaliser 40% de sa production en 2007, STMicrolectronics
envisagerait de faire fabriquer la moitié de ses composants sur les technologies
logiques CMOS les plus avancées,…).
¾Les marchés faibles volumes, hautes contraintes n’ont plus le
poids économique pour infléchir l’évolution des semi-conducteurs.
o Ils doivent se contenter de suivre l’évolution en anticipant les évolutions pour en tirer les
stratégies les meilleures
o Une solution pour contrer l’envolée inéluctable des coûts de production pour les
applications faible volume est de regrouper les besoins des acteurs du monde spatial,
militaire et industriel pour l’accès à coût maîtrisé des fonderies.
o Des alternatives techniques existent autour des concepts de MPW (Multi Project Wafer)
et de MLR (Multi Level Reticle)
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
46
L’électronique grand public
¾ Part des technologies Cmos 90nm et moins en forte
croissance
o 34% du CA de TSMC en Q3 2007 contre 29% en Q2
o Part du Cmos 65nm: 12%des ventes Q3 chez UMC
¾Télécoms premier débouché des fondeurs
o 42% des ventes de TSMC,
o 56% de celles de SMIC
o 40% pour Chartered
¾Facteur clef pour les fabricants de composants
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
47
Électronique professionnelle
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
48
Conclusions
¾ Composants commerciaux tendances techniques
o Intégration (complexité, fonction) croissante
o Performance
• Compromis (puissance / consommation)
¾Composants commerciaux tendances économiques
o Coûts décroissants
o Concentration des moyens de production
o Orientation marché grand public (ne reflète pas la valeur créée)
¾Défis techniques pour l’électronique professionnelle
o Prise en compte de la durée de vie
o Obsolescence / contrefaçon
o Evaluation, Qualification (nombreuses technologies complexes)
o Une segmentation du marché qui dessert l’électronique « professionnelle »
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
49
Classement des fabricants
Rang
2006
Rang
2007
1
2
4
3
5
7
6
14
10
15
8
16
11
9
9
13
17
ventes
ventes
variation parts de
Société
2006
2007
%
marché
1 Intel
31,5
34
7,7
2 Samsung
19,8
20,1
1,5
3 Toshiba
10,1
12,6
24
4 Texas Inst
12,8
12,1
-3,4
5 ST
9,9
10
1,1
6 Hynix
7,9
9,6
22,2
7 Renesas
7,9
8,1
3
5,1
8
56,8
8 Sony
9 NXP
5,9
6
2,8
10 Infineon
5,1
5,8
14,6
7,5
5,8
-22,8
11 AMD
12 Qualcomm
4,5
5,6
23,7
13 NEC
5,6
5,6
-0,8
14 Freescale
6
5,3
-10,7
15 Micron
5,2
4,9
-1,9
16 Quimonda
5,4
4,18
-22,7
17 Matsushita
4
3,9
-1,9
CCT Rex COTS Myriade 8 janvier 2008
12,5
7,4
4,5
4,5
3,7
3,5
3
3
2,2
2,2
2,1
2,1
2,1
2
1,8
1,5
1,5
50