[CPTF 2013] IBM Common Platform기술의 비전

Common Platform 컨퍼런스를 개최

　Intel과 TSMC 이외의 반도체 벤더도, 급격하게 프로세스 기술을 진보 시키려고 하고 있다. 현재, Intel과 TSMC 이외의 벤더의 상당수는, IBM를 중심으로 한 반도체 기술의 공동 개발 그룹 Common Platform에 집결하고 있다. 이 그룹이 제조하는 칩에는, 애플의 아이폰.아이패드나 삼성의 모바일 SoC(칩의 시스템), AMD의 CPU, 소니의 플스3나 Xbox 360, Wii U, 차세대 Xbox, 플스4 칩등이 포함된다. 그 때문에, Common Platform의 기술적인 방향성은, 컴퓨터 칩의 상당한 부분의 장래를 좌우한다.

2013년 2월 5일 열린 컨퍼런스내용을 소개해본다.

10년주기의 프로세스 기술의 변화의 물결

Common Platform 공정 기술 개발의 핵심을 담당하는 IBM은 기술적인 방향성을 요약했다. Dr. Gary Patton 씨 (Vice President of Semiconductor Research & Development Center, IBM)은 반도체 기술을 대략적으로 10년마다 4개의 시대로 나누었다.

　처음에는 2000년까지의 평면 CMOS에 의한 기존의 CMOS 스케일링이 잘 작동하던 시절. 그것이 게이트 절연막이 미세화의 한계에 도달 누설 전류 (Leakage)가 급증함에 따라 2000 년 이후 HKMG (High-K/Metal Gate) 등 다양한 재료 개선을 평면 CMOS에 추가해야 나오는 평면과 재료의 개량 시대가됐다.

　하지만 그것도 평면 CMOS 자체 구조의 한계에 도달, 2010 년대에는 "3D 시대"에 들어갔다고 Patton 씨는 설명한다. 트랜지스터를 평면에서 3D구조의 FinFET 등으로 전환뿐만 아니라, 다이 (반도체 본체)를 직접 적층 3D 다이스택 등 새로운 접근도 도입 간다. 3D 시대는 모바일 디바이스의 진화를 위해, 저전력 화가 요구되기 때문에 3D 기술의 채용이 중요하다.

그러나, 한층 더 그 앞 2020 년대가되면, 이번에는 원자의 크기가 문제가된다 "원자 시대"에 돌입한다고한다. 원자 시대는 실리콘 나노 와이어와 실리콘 포토닉스, 이종 칩의 적층 기술이 필요하다. 또한 탄소 나노 튜브와 자기 조직화의 음란 과정도 연구하고있다. 원자 수준에서의 연구 개발을 쌓아, 슈퍼 컴퓨터와 같은 대형 시스템까지의 제품에 연결해 간다.

　IBM은 리소그래피 확장 로드맵도 제시했다. 현재 로직 공정은 액침 리소그래피를 사용하고 있지만, 20nm/14nm 프로세스 이후 침수 다중 노출의 리소그래피로 옮겨 간다. 다중 노출은 10nm 세대까지 커버 할 전망으로, 7nm에서 EUV로 이행 예상되고있다. 아래는 작년 (2012 년)의 ARM Techcon에서 IBM의 14nm 프로세스의 설명 슬라이드 다.

노광과 EUV의 비교

AMD CPU와 콘솔게임기를 좌우하는 GLOBALFOUNDRIES의 로드맵

Common Platform의 멤버 GLOBALFOUNDRIES 프로세스 로드맵에서는 약간의 업데이트가 있었다. GLOBALFOUNDRIES는 현재 다수의 28nm 제품을 출하하고 올해는 더욱 미세화 한 20nm 프로세스 "20LPM"을 시작한다. 그리고 내년 (2014 년) 초기에 3D 트랜지스터의 "14XM"을 시작한다. 

GLOBALFOUNDRIES는 또한 이번 컨퍼런스에서 10nm 세대의 3D 트랜지스터 프로세스 "10XM"를 2015 년 후반에 시작하는 것을 분명히했다. 

아래는 14XM 발표시 슬라이드다.

　GLOBALFOUNDRIES의 14XM 프로세스는 백엔드와 같은 기술은 20nm 공정과 공통화를 추진하여 트랜지스터 주위를 FinFET로 전환. BEOL (Back End Of Line)은 20nm와 그다지 다르지 않기 때문에, 프로세스 개발의 장애물은 훨씬 낮아진다. 따라서 다이 영역 확장의 이점은 없지만, GLOBALFOUNDRIES는 성능 / 전력에서 극적인 개선이 예상된다고 설명한다.

　컨퍼런스에서는 Cortex-A9의 구현, 28SLP 12 트랙 라이브러리에서 14XM 9 트랙 라이브러리로 전환하면 동일한 전력으로 성능은 61% 향상, 같은 성능이라면 62 %의 전력 컷된다고 설명 한. 아래의 슬라이드는 14XM 발표시 것으로, 이쪽은 20LPM하면 14XM을 비교하고있다.

차세대 아이폰과 갤럭시에 적용되는 프로세스 기술

삼성도 FinFET의 장점은 성능/전력에 있다고 설명한다. 이것은 모바일 반도체 로직 공정 사업의 핵심으로하고있다 삼성에 있어서는 큰 문제다. 

Samsung의 KH Kim 씨 (Executive Vice President, Foundry Business, Samsung)는 모바일 기기에서의 성능 요구는 점점 높아지고인데, 전력제약은 별로 확장되지 않기 때문에, 성능/전력을 향상시켜 나가야한다고 설명 한다. 따라서 비장의 카드가 FinFET 기술적용이라고한다. 아래는 작년 (2012 년)의 DAC (Design Automation Conference)에서 Samsung의 설명이다.

FinFET기술(3차원 반도체) 적용의 이점

20nm→14nm(FinFET)은 20nm→14nm에 비해 반도체면적은 크게 줄어들지는 않으나 저전력측면에서 큰 장점을 가진다.

　Samsung은 지난해 (2012년) 말 14nm FinFET 프로세스의 테스트 칩을 테이프아웃했다고 발표했다. 올해 (2013 년)은 여러 MPW (Multi Project Wafer)를 달리고있는 단계라고 말한다.

삼성은 20nm 모델링을 FinFET(3차원 반도체)기술적용으로 14nm로 축소되었다.

20nm의 풋프린트와 같기때문에 14nm FinFET은 20nm 공정생산이 잘 이뤄진다면 1년안에 쉽게 나올 수 있다.

삼성은 2013년 20nm 양산

2014년 14nm FinFET을 양산할 계획이다.

　Samsung은 현재 32nm 공정의 생산을 하고 있지만, 28nm 공정으로 전환을 추진하고있다. 삼성의 28nm는 모바일 및 가전용 "28LPP"고 네트워크와 컴퓨팅을위한 "28LPH"두 과정이있다. 트랜지스터 옵션의 차이에 따라 28LPP 쪽이 누설 전류가 적은 있지만 성능이 낮고, 28LPH은 성능은 높지만 누설 전류도 많다. GLOBALFOUNDRIES보다 종류가 적은것은 생산대상이 어느 정도 좁혀지고 있기 때문이다.

　애플의 현재 아이패드/아이폰의 Ax 시리즈 모바일 SoC는 삼성의 32nm 공정으로 제조되고있다. 그러나 이 순조롭게 28nm 프로세스를 시작한다고하면, Apple 제품도 올해 (2013 년)에는 28nm로 이행 할 것으로 보인다. 물론, Apple이 다른 파운드리로 이행하지 않는 경우이지만, 32/28nm는 Samsung에 머물 가능성이 높은 것으로 보인다.

삼성은은 반도체공장을 한국의 "S1 Fab"과 미국 오스틴의 "S2 Fab"외에 한국에 새로운 공장을 건설하고있다. S2는 28nm 공정의 양산을 실시하고 있으며, 새로운 Fab은 2014 년 가동을 목표로하고있다. 삼성의 S2는 메모리 반도체생산시설을 AP 생산공장으로 전환하는 방식으로 반도체공장을 늘려왔다. 삼성전자가 비중을 메모리에서 로직으로 옮겨가는지 잘 알 수 있다.

　FinFET(3차원 반도체기술)에서 인텔이 선행이후 다른 반도체 업체는 인텔을 따라 잡기 위해 집중하고있다. FinFET도 1 ~ 2 프로세스 세대마다 큰 기술 혁신이 필요하다는 상황이되어있어 장애물이 매우 높다. 따라서 인텔과 TSMC 이외의 주요 공급 업체는 Common Platform에 집결해 개발 부담을 줄이고, 프로세스 진화의 장애를 극복하려하고있다.