TSMC 20nm 16nm 기술 로드맵을 발표

20nm에서 16nm 프로세스는 불과 1년만에 이행 

TSMC의 공정 기술 로드맵 2012년

　TSMC가 프로세스 기술 로드맵을 ARM 컨퍼런스에서 발표했다. 한마디로 말하면, TSMC의 로드맵은 "차"있​​다. 프로세스 세대의 단축되고 특히 20nm 공정과 16nm 공정의 사이는 불과 1 년 밖에 차이나지 않는다. 20nm는 2012년 4분기에 리스트생산을 시작하고 16nm은 2013년 4분기에 시작한다. 10nm은 2016 년에 머물고 있지만, 매우 공격적인 로드맵이다.

　이 로드맵을 나타내는 것은 앞으로 TSMC를 사용 그래픽 카드와 스마트 폰, 태블릿 등의 성능이 급격히 상승한다는 것이다. 스마트폰과 태블릿이라면 CPU가 2GHz 대에서 동작하는 것이 당연한 것 같다. 또한 성능이 오를뿐만 아니라 전력 소비도 상대적으로 떨어지는 성능 효율이 오른다. 최근에는 프로세스의 미세화 속도가 둔화하고 있던 것이 변해, 페이스 업 칩의 집적도와 성능이 오르게된다.

　그리고 16nm 프로세스는 기존의 플레나 트랜지스터가 아닌 입체형의 FinFET 트랜지스터이다. 즉, Intel의 22nm 트라이 게이트 트랜지스터와 같은 3D 트랜지스터 기술을 2013년에 적용시킨다는 것이다. 2011 년 ARM Techcon에서 밝혔다 아래의 로드맵보다 공정 미세화의 속도가 가속화하고있다. 그러나 3D 트랜지스터의 노드 숫자는 지난해 14nm에서 16nm로 커지고있다.

TSMC의 공정 기술 로드맵 2011년

　가장이 성급한 로드맵도 다른 파운드리 움직임을 보면 놀라운 일이 아니다. 아래는 파운드리 기업에서 TSMC의 경쟁사인 GLOBALFOUNDRIES가 9 월에 발표 한 로드맵이다. GLOBALFOUNDRIES도 이때 FinFET 트랜지스터의 14nm "클래스"과정을 앞당겨 2014 년에 시작한다고 밝혔다. GLOBALFOUNDRIES도 ARM Techcon에서 패널 토론을 개최, 14nm까지의 프로세스의 비전에 대해 말했다. TSMC의 지금의 계획은 GLOBALFOUNDRIES보다 FinFET의 투입이 약간 빨리 설정되어있다. 경쟁심은 명백하다. 

글로벌파운드리의 로드맵

　무엇보다, 양사 모두 진정한 경쟁자는 Intel이다. Intel이 22nm에서 서서히 3D 트랜지스터로 옮겨 버린 영향은 크다. 다른 파운드리는 지금까지 평면 트랜지스터의 미세화로, Intel에 분리되어 있었지만, 22nm에서는 트랜지스터 구조의 변화에​​ 결정적인 뒤지고 말았다. Intel은 파운드리 사업에 본격적으로 참여하고 있지 않다. 그러나 파운드리로는 공정 기술에 대한 고객의 최종 제품이 Intel 대해 압도적으로 불리한 상황은 피하고 싶다. 따라서 3D 트랜지스터 화를 서두르고있다. Intel이 공정 기술을 무기로 모바일 SoC로 시장진입할려고 하고있는 것은 현재 파운드리업계 1위의 TSMC와 후발주자 GLOBALFOUNDRIES는 그 움직임에 민감하게 반응하고있다.

　그렇다고는해도, TSMC와 GLOBALFOUNDRIES의 양사 모두 20nm보다 앞의 28nm 공정에서 문제가 있다. TSMC는 28nm 공정의 시작에서 수율의 문제점이 GLOBALFOUNDRIES도 28nm 프로세스의 양산소식 이야기가 별로 들리지 않는다. 따라서 차세대 프로세스의 로드맵에 여전히 물음표가 붙는다. 무엇보다, 그렇기 때문에, TSMC와 GLOBALFOUNDRIES는 모두 그 의문을 불식시키기 위해, 차세대 프로세스 강력하게 말해 있을지도 모른다.

이미 칩 설계가 가능한 단계에 들어간 20nm 프로세스 

　TSMC는 28nm 공정에서 게이트 누설 전류 (Leakage)를 최소화 할 수 High-K/Metal Gate (HKMG) 기술을 도입했다. 회사의 20nm 프로세스 "CLN20SoC"는 HKMG의 제 2 세대 프로세스가된다. 올해 (2012 년) 4 분기에 리스트생산을 시작하고있는 경우 ARM Techcon의 키 노트 스피치가 선 TSMC의 Jack Sun 씨 (VP, Research & Development and Chief Technology Officer, TSMC)는 설명한다.

　TSMC에 따르면 CLN20SoC 프로세스에서는 이미 각종 IP가 검증 작업에 들어 갔으며, EDA 도구도 대응이 진행되고 있다고한다. LSI 업체가 제품 칩의 구체적인 설계에 들어갈 준비까지 된 단계다. 온 트랙으로 진행된다면, 내년 (2013 년)에는 20nm GPU와 모바일 SoC가 등장하게된다.

저전압시의 퍼포먼스를 특별히 올리는 FinFET 기술 

　하지만 TSMC에게 진짜 무기는 다음의 16nm이다. TSMC의 "16nm"프로세스 "CLN16FF"는 Intel의 3D 트랜지스터와 유사한 FinFET 기술을 사용한다. 리스크생산은 CLN20SoC의  1년 후 내년 (2013 년) 4 분기를 예정하고있다.

　현재 3D 트랜지스터가 FinFET라는 것은 트랜지스터 웨이퍼면에서 지느러미 (Fin)처럼 일어서 보이기 때문이다. 채널을 실리콘 기판에서 떼어내는 것으로, 게이트의 길이가 짧아지면 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르는 서브 스레숄드 누설 전류가 증가하는 단 채널 효과를 억제 할 수있다. 게이트 길이를 짧게 할 수 위에 게이트 폭도 입체화 좁힐 수 있기 때문에 트랜지스터를 소형화 할 수있다. 게이트 면적이 늘어날 것으로 채널의 구동 능력이 향상되고, 임계 전압을 낮추는 것도 용이하게된다. 또한 채널의 Fin을 늘려 멀티 채널 화하는 것으로, 스위칭 성능을 올릴 수도있다.

　TSMC는 CLN20SoC하면 CLN16FF을 낮은 임계 전압 트랜지스터 비교할 때 동일한 전력이라면 20 % 이상 속도가 올라, 같은 속도라면 35 % 전력을 낮출 수 있다고 지적한다. 특히, 저전압 구동시 속도 저하가 낮기 때문에 저전압 구동 칩을 더 빨리 달리게 할 수있다. 따라서 TSMC는 CLN16FF, 특히 에너지 효율이 우수한 공정 기술이라고 설명한다. 이 당에 대한 설명과 위치는 Intel이 트라이 게이트 트랜지스터를 설명 할 때와 비슷하다.

CLN16FF 프로세스는 현재 IP 설계 및 테스트 차량의 칩 설계 단계에서 제품 설계에 들어가는 것은 내년 (2013 년) 10 월 예정이다. 3D 트랜지스터 화를 선도하는 Intel에 어떻게 든 따라잡을려고, TSMC는 전례없는 빠른 속도로 전환중이다.

ARM의 Cortex-A57 코어의 성능을 향상하는 16nm 프로세스 

　그리고 TSMC가 첨단 프로세스의 시작에서 중시하고있는 것이 ARM과의 협력이다. 현재 첨단 프로세스를 견인하는 제품은 GPU에서 모바일 용 SoC로 변천했다. 따라서 TSMC와 GLOBALFOUNDRIES 양사가 자꾸 ARM과의 제휴와 ARM 코어의 첨단 프로세스에 포트를 강조한다. 이번 TSMC는 Cortex-A15 코어를 28nms의 고성능 모바일 프로세스 "CLN28HPM"와 20nm의 CLN20SoC, 그리고 16nm의 CLN16FF의 각 각각에 구현 한 경우를 시뮬레이션하여 비교했다. 16nm FinFET는 750mW에서 2.5GHz에 육박 속도를 달성 할 수있다 TMSC는 시뮬레이션하고있다.

　TSMC의 Jack Sun 씨는 ARM은 차세대 ARMv8 코어에 대해서도 긴밀히 협력 태세를 깔고 있으며, Cortex-A57를 Cortex-A15 마찬가지로 높은 효율로 동작 할 수 있다고 설명한다. 덧붙여서, TSMC의 40nm 공정 CLN40G는 듀얼 Cortex-A9 하드 매크로가 최고 2GHz에서 1.9W이었다. 즉, 16nm되면, Cortex-A9보다 훨씬 큰 Cortex-A15 코어도 더 낮은 전력으로 더 빠르게 작동시킬 수있다.

　28 nm의 Cortex-A9에 대해서, 16 nm의 Cortex-A57에서는, 750 mW시의 상대성능으로 2배나 오르면 TSMC는 설명한다.이것은, 2014년의 모바일 디바이스라면, 같은 소비 전력으로, 퍼포먼스는 2배가 되어, 64-bit 애드레싱등의 특별이 더해지는 것을 나타내고 있다.  

　이 밖에 Sun 씨는 TSMC가 적극적으로 추진하고있는 (TSV : Through Silicon Via)의 다이 스택 솔루션에 대해서도 언급했다. 트랜지스터 자체를 FinFET에서 3D 화하는 것과 동시에, 다이끼리 3D 스택하여보다 전력 절약으로 확장 가능한 시스템을 실현하고자한다. TSMC는 TSV 인터 포저를 사용 2.5D의 스택에 열심히 임하고, 이러한 솔루션을 적극적으로 투입함으로써 시스템 전체의 전력을 내려 간다고 설명한다. 이 설명에서 인용 한 것은, 인간의 뇌가 뉴런의 3D 연결 불과 20W의 전력 만 소비하지 않는다는 얘기였다.

　공격적인 TSMC의 로드맵은 향후 많은 제품에 영향을 미친다. GPU 및 AMD의 가치 APU (Accelerated Processing Unit), 많은 스마트 폰과 태블릿의 모바일 SoC가 TSMC에서 제조되고 있기 때문이다. 로드맵대로라면 그 제품이 급격히 성능 향상 해 나갈 것이다. 또한 Apple도 Samsung에서 떠나려하고, 다른 파운드리를 찾고 있으며, 만약 TSMC로 이동하여 오는 경우, TSMC의 로드맵의 중요성은 더욱 늘어난다. 게임기의 칩도 마찬가지로, TSMC에 집계가 높아지면 회사의 기술에 많은 기기가 좌우된다.