[CPTF 2013] 인텔에 대항하는 파운더리FinFET 전략

인텔 기술력차를 따라잡을려는 반도체벤더의 노력

인텔과 다른 반도체 메이커의 기술격차가 크게 발생되고 있는데 따라서 대기업 파운더리는 Intel과의 트랜지스터 격차를 역전하기위해  집중하기 시작했다. 

"FinFET"타입의 3D 트랜지스터의 도입을 예상보다 1년 앞당길 계획이다. 이 계획이 성공하면, Intel 이외의 칩 공급 업체가 Intel에 경쟁력을 높일 수있다.

　현 상황에서도, AMD는 천천히 Intel 대한 대항력을 날카롭게하고있다. AMD는 제어 할 수없는 부분에서 AMD의 힘이 약화되고있다. GPU는 40nm 공정으로 오랫동안 발이 묶인 것으로, 진보의 속도가 느슨했다. Intel에 압도적으로 유리한 ARM 계열의 모바일 SoC (System on a Chip)하지만, 프로세스 기술을 인텔이 리드헤가면 장래를 모른다. 물론 콘솔게임기도 마찬가지로 28nm 이후의 노드를 대상으로하고있는 소니와 Microsoft도 영향을 받고있다.

　지난 몇 년, Intel은 공정 기술 개발에서 선두를 펼쳐왔다. 완전히 잘하는 것은 결코 아니지만 대체로 일정에 따라 새로운 프로세스를 도입하는 것을 계속한다. 

반면 파운더리 업계는 최근 1 ~ 2 세대는 기술격차가 벌리고 있다.

　AMD의 CPU를 제조하는 GLOBALFOUNDRIES을 예로 들면, 기존에는 Intel에서 4분기 정도의 지연되는 프로세스 노드의 CPU를 출하했다. 그것이 32nm에서는 1년 반 가까이 지연되고있다. TSMC의 GPU 제품을 보면, 40nm 공정의 제품에서 28nm 제품까지 2년 반 이상의 기간이 비어 버렸다. 이는 TSMC가 28nm에서 저전력 프로세스를 우선했다는 사정도 있지만, 그래도 간격은 벌려있다. TSMC도 GLOBALFOUNDRIES도 이전에 새로운 프로세스의 출시를 발표하고 2분기 정도에 제품이 시장에 나와 있었는데, 지금은 더 많은 시간이 걸리게되었다.

▲인텔의 반도체 혁신

▲32nm에서 22nm 3D공정까지 2년의 시간이 걸렸다.

기술면에서도 지연이있어, 인텔이 45nm 공정에서 도입한 HKMG (High-K Metal Gate) 기술을 다른 업체는 32 ~ 28nm 공정에서 겨우 도입했다. 인텔은 그동안 2 세대 HKMG되는 32nm를 시작해 FinFET의 22nm도 만들었다. FinFET에 대한 업계의 흐름은 14nm 전후에서 도입히였으므로, 이것도 인텔이 1세대 앞섰다.

　이대로 가면 2014년에는 파운더리측은 20nm의 평면형 트랜지스터를 생산할때쯤, 인텔은 14nm 2세대 FinFET을 생산한다. 

　물론 이러한 상황은 컴퓨팅 장치에 큰 영향을 미친다. 인텔의 칩이, 그 이외의 메이커의 칩보다 더 누설 전류 (Leakage)가 적고, 저전압 동작 주파수가 높으면되면 아키텍처면에서 아무리 좋아도 커버 할 수 없게된다.

20nm의 백엔드를 사용함으로써 FinFET의 도입을 쉽게한다.

이러한 상황이 어렵다고 판단한 것으로 보이는 파운더리측은 로드맵을 올해 (2012년) 후반에 변경했다. 

현재 일정은 TSMC는 16nm FinFET의 "CLN16FF"를 내년 (2013 년) 말까지 시작한다. 

GLOBALFOUNDRIES도 14nm FinFET의 "14nm-XM '을 2014 연말까지 시작한다. 

또한 UMC도 IBM에서 라이센스를받은 20nm의 FinFET을 시작한다. 

GLOBALFOUNDRIES는 IBM을 중심으로하는 프로세스 개발 연합 Common Platform의 일원이므로, Common Platform소속의 삼성도 같은 패턴을 뽑는 것으로 추측된다.

GLOBALFOUNDRIES와 TSMC를 보면 아는대로, 20nm 평면형 과정에서 1년으로 FinFET을 시작하는 일정이다. 2년 단위의 기술도입을 1년으로 단축하고, 아래의 GLOBALFOUNDRIES의 슬라이드에서 도입 "1 년"이라는 부분을 강조하고있다. TSMC 분은 원래 계획은 작년 (2011 년) 10 월의 ARM 기술 컨퍼런스 "ARM Techcon"때 슬라이드처럼, 2015년에 FinFET의 CLN14을 도입하는 것이었다.

인텔의 기술력에 놀란 반도체업체 업체들이 전면수정에 나선것이다.

▲수정된 글로벌파운드리의 전략

2013년에 20nm 평면형을 뽑고

2014년에 16nm FinFET(3차원 반도체)를 도입한다.

같은 IBM소속인 삼성도 2014년에 14nm 양산을 목표로 한다.

▲수정된 TSMC의 전략

2013년에 20nm 평면형을 뽑고

2014년에 16nm FinFET(3차원 반도체)를 도입한다. 

FinFET을 표명하고있는 파운더리 3사에 공통되는 것은, 백엔드 등의 프로세스는 20nm 세대와 공통화를 추진하여 트랜지스터를 FinFET로 전환하는 부분인 것 같다. 

즉, 기술격차를 줄이기위해 반도체전체를 FinFET(3차원 반도체)를 적용하는게 아니라 난이도가 낮은 프런트엔드만 적용 난이도가 높은 백엔드는 20nm와 공유하고

FinFET 2세대에선 풀적용할 예정이다. 

결론은 노드 이름이 14nm 및 16nm이든, Back End Of Line은 20nm와별로 다르지 않는 과정이 될 것이며 반도체역사상 처음으로 반도체 기술이행에서 보여준 

다이의 크기축소는 일어나지 않을 가능성이 매우높다. (20nm와 14nm FinFET은 다이면적에서 큰 차이가 없다)

FinFET은 반도체 공간확장이 아니라 성능 효율에 초점이다.

물론, 그것을 14/16nm이라고 좋을까라는 의문은 나오는 (그래서 UMC는 20nm라고 부르고있다)데..... 그래서인지 GLOBALFOUNDRIES는 14nm-XM에 "14nm 급 FinFET"라는 미묘한 표현을 ARM Techcon에서 발표하면서 썼다. SRAM 밀도 등이 공표되지 않는다고 판단 할 수 없지만,이 FinFET 세대는 영역확장보다 FinFET의 소비전력 절감과 성능 향상에 포인트를 둔 프로세스 것은 확실한 것 같다.

　그것이 단적으로 나타나고있는 것은 아래의 ARM Technon에서 TSMC의 슬라이드다. 

이것은 복잡한 차트에서 왼쪽은 40nm에서 일반용 40G와 28nm에서 성능 모바일의 28HPM 비교. 

다음 왼쪽에서 두 번째 28HPM하면 20nm에서 모바일에 초점을 맞춘 통합 20SoC 비교. 

세 번째는 같은 28HPM와 FinFET의 16FF 비교, 제일 오른쪽은 16FF하면 10nm의 10FF을 비교하고있다. 

즉, 20SoC하면 16FF은 모두 28HPM와 비교되고있다.

　이 그림을 정확하게 읽으면 다음과 같다. 먼저보고 아는대로 칩 크기 비율은 28nm HPM에서 20nm SoC와 28nm HPM에서 16nm FF가 동일한 63 %이다. 

즉, 20nm와 16nm에서 같은 트랜지스터 카운트라면 칩 크기는 변하지 않는다. 반도체 다이영역 확장의 효과는 없다.

　하지만 스피드와 파워는 28nm HPM에서 20nm SoC에별로 향상하지 않는데, 20nm SoC에서 16nm FinFET에서는 더욱 개선된다. 

클럭스피드가 28HPM → 20SoC가 15% 업으로 계산하면 20SoC → 16FF가 20% 향상된다. 마찬가지로 소비 전력 절감은 28HPM → 20SoC가 20%로 

20SoC → 16FF가 23%가된다. 즉, 트랜지스터를 FinFET함으로써 성능이 20%, 전력이 23% 향상된다.

이렇게 보면, TSMC의 16nm와 GLOBALFOUNDRIES의 14nm은 모두 20nm이미지이지만, 원래 노드의 숫자는 자사 비밀적인 부분이 많다. 

인텔의 22nm FinFET도 "Symposium on VLSI Circuits 2012"에서 발표된 숫자는 백엔드 Metal 1 피치를 보면 90nm되어, 결코 작지 않다.

예를 들면, GLOBALFOUNDRIES의 경우는, VLSI Symposium의 논문을 보면, 28 nm LP의 Metal 1 피치가 90 nm가 되고 있다.

20 nm LPM라면 64 nm가 되어, Intel의 22 nm의70%가 된다.그 의미에서는, 20 nm와 연구 최종 단계를 공통되는 GLOBALFOUNDRIES의 FinFET는, 14 nm를 자칭해도 불가사의는 없게 된다.

모바일 장치에서는 강력한 이점을 가진 FinFET기술

FinFET이 그토록 중요한 것은 첨단칩의 주요 전장이 모바일이 때문이다. 파운더리 프로세스는 그래픽카드와 CPU 등이 이끌어가고 있었다. 그것이 지금은 완전히 모바일 용 SoC가 견인하도록되어있다. 이 경향은 45/40nm 프로세스 당에서 두드러지기 시작했다.

　모바일의 부상에 의해 성능이 높은 모바일 프로세서가 요구되게되었다. 따라서 파운더리는 고성능의 전력 소비가 낮은 프로세스 기술을 마련하게되었다. 예를 들어, TSMC는 40nm에서 저전력 프로세스 "CLN40LP"  고성능 "CLN40G"외에, "CLN40LPG"이라고 고성능 모바일 과정을 만들었다. NVIDIA가 Tegra 계에서이 프로세스를 사용한 것을 강조했다. 하지만 TSMC는 28nm에서는 저전력 및 고성능으로 CLN28HPM을 시작했다. GLOBALFOUNDRIES도 비슷한 움직임에 초점을 고성능 모바일로 옮겨 가고있다. 파운더리 각사가 FinFET의 적용에 초점맞추는것은 바로 이 분야다.

　FinFET 기술을 적용하면 누설전류 (Leakage)를 억제, 또한 저전압시의 퍼포먼스를 올릴 수있다. 모바일 용 SoC는 대부분 클럭스피드는 상대적으로 낮은 주파수에서 작동하기 때문에 낮은 주파수의 구동 전압을 낮출 수있어 FinFET의 효과가 크다. 당연히, 모바일 CPU 코어의 점유율을 차지하는 ARM은이 문제에 민감하고, 미국 산타 클라라의 ARM Techcon 2012이나 도쿄에서 개최 한 ARM Symposium에도 FinFET 대해 거론했다.

▲FinFET의 장점인 전성비를 보여주고 있다.

이를보다 구체적인 프로세서 성능으로 나타내면 아래 TSMC의 슬라이드된다. 평면의 28nm 및 20nm, 16nm FinFET를 Cortex-A15 코어끼리 전력과 동작 주파수를 비교 한 것이다. 다른 하나는 28nm의 Cortex-A9는 20nm의 Cortex-A15, 그리고 16nm FinFET의 Cortex-A57를 같은 750mW의 전력으로 성능을 비교 한 것. 동일한 전력으로 2 년 동안 성능을 2 배로하기 위해 ARM은 FinFET을 필요로하고있다.

▲동일한 750mW를 소비한다고 가정할 때 FinFET이 적용된 Cortex-A57의 성능차이는 엄청나다.

　이러한 상황으로, 파운다리는 FinFET의 스케줄을 앞당겨, 20nm세대와 연구 최종 단계를 공통화하는 것으로 도입을 성공 시키려고 하고 있다. 

이것이 잘 되가면, 2014년중에는 인텔의 FinFET 2세대와 싸움이 해볼만 하게된다. 문제는, FinFET의 제조로, 잘 되지않으면, 제품수율이 오르지 않는 상태가 계속 되어 버린다.

　FinFET기술의 도입에 대서는, 삼성전자가 Common Platform Tech Forum으로 설명하고 있다.격차의 제어가 FinFET의 성공의 열쇠로, planar보다, 격차가 발생하는 소스가 증가하기때문에, 기술개발 장애가 크다고 한다. 삼성전자가 지적하고 있던 것은, 핀의 폭이나 높이, 채널 표면의 결정 격자 방향, 기생 저항등의 격차로, 이것에 planar 시대와 공통되는 게이트 산화 막후의 격차나 게이트장의 격차등도 더해진다.격차가 발생할 가능성이 있는 요소가 증가하는 분만큼, 제조가 어려워진다.

　개발장벽이 높기는 하지만, 파운더리 각사는 2014년의 결전을 향해서 달리기 시작하고 있다. 인텔에게 FinFET로의 역습을 노리지 않으면 안되는 상황에, 각사 모두 몰리고 있다.그리고, 그것은, 인텔을 제외한 모든 반도체제품... CPU나 GPU, 모바일 SoC의 경쟁력에, 수면 아래에서 크게 영향을 준다. 실제로는, FinFET를 도입해도, 웨이퍼 단가 상승하면 트랜지스터/코스트가 내리지 않기 때문에, 퍼펙트한 전략은 아니다. 그러나, 이 길 밖에 해답이 없는게 현실이다.