Λεπτομέρειες Blog

Η ερώτηση ακούγεται απλή: πόσα τσιπ 2 nm μπορούν να κατασκευαστούν από μια μονή πλάκα πυριτίου 300 mm?
Στην πραγματικότητα, η απάντηση αποκαλύπτει πολύ περισσότερα για τη σύγχρονη κατασκευή ημιαγωγών από έναν μόνο αριθμό. Περιλαμβάνει γεωμετρία, στατιστικά απόδοσης, συμβιβασμούς σχεδιασμού και τα φυσικά όρια των προηγμένων διεργασιών.

Αυτό το άρθρο παρουσιάζει έναν ρεαλιστικό, μηχανικό υπολογισμό, διαχωρίζοντας τα θεωρητικά μέγιστα από αυτά που πραγματικά φεύγουν από ένα εργοστάσιο ημιαγωγών.

1. Τι σημαίνει πραγματικά “2 nm”;

Παρά το όνομά του, ο κόμβος τεχνολογίας 2 nm δεν αντιπροσωπεύει μια κυριολεκτική φυσική διάσταση. Οι σύγχρονοι κόμβοι είναι συμβάσεις επωνυμίας που αντικατοπτρίζουν βελτιώσεις στην πυκνότητα των τρανζίστορ, την απόδοση και την ενεργειακή απόδοση και όχι τα πραγματικά μήκη πύλης.

Μια τυπική διεργασία κατηγορίας 2 nm περιλαμβάνει τρανζίστορ gate-all-around ή νανοφύλλων, αποτελεσματικά μήκη πύλης της τάξης των δεκάδων νανομέτρων και εκτεταμένη χρήση ακραίας υπεριώδους λιθογραφίας. Ως αποτέλεσμα, η περιοχή του τσιπ—όχι η ετικέτα του κόμβου—είναι ο κύριος παράγοντας που καθορίζει πόσα τσιπ χωράνε σε μια πλάκα.

2. Χρήσιμη περιοχή μιας πλάκας 300 mm

Μια τυπική πλάκα 300 mm έχει ακτίνα 150 mm, δίνοντας μια συνολική γεωμετρική περιοχή περίπου 70.685 mm². Ωστόσο, δεν χρησιμοποιείται όλη αυτή η περιοχή.

Η εξαίρεση άκρων, οι γραμμές χάραξης και οι περιοχές ελέγχου διεργασίας μειώνουν την αποτελεσματική περιοχή. Σε πραγματικά περιβάλλοντα κατασκευής, περίπου το 94 έως 96 τοις εκατό της πλάκας μπορεί να χρησιμοποιηθεί, αφήνοντας περίπου 66.000 έως 68.000 mm² διαθέσιμα για τσιπ.

3. Μέγεθος τσιπ: Η βασική μεταβλητή

Στον κόμβο 2 nm, τα μεγέθη των τσιπ ποικίλλουν ευρέως ανάλογα με την εφαρμογή.

Οι επεξεργαστές κινητών υψηλής απόδοσης καταλαμβάνουν συνήθως περίπου 80 έως 120 mm². Τα chiplets λογικής είναι πολύ μικρότερα, συχνά στην περιοχή των 25 έως 40 mm². Οι μεγάλοι επιταχυντές AI, αντίθετα, μπορούν να υπερβούν τα 300 mm² και μερικές φορές να πλησιάσουν τα 500 mm² ή περισσότερο.

Αυτές οι διαφορές κυριαρχούν στα αποτελέσματα του αριθμού των τσιπ.

4. Σενάριο Α: SoC κατηγορίας κινητών 2 nm

Εξετάστε ένα σύστημα-σε-τσιπ κινητού με περιοχή τσιπ περίπου 100 mm².

Η διαίρεση της χρησιμοποιήσιμης περιοχής της πλάκας με το μέγεθος του τσιπ αποδίδει περίπου 680 τσιπ. Αφού ληφθούν υπόψη η γεωμετρία της πλάκας και οι απώλειες άκρων, ο αριθμός των ακατέργαστων τσιπ συνήθως πέφτει σε περίπου 600–630.

Η απόδοση γίνεται τότε ο καθοριστικός παράγοντας. Για μεγάλα SoCs προηγμένου κόμβου, οι ρεαλιστικές αποδόσεις κυμαίνονται συχνά από 70 έως 80 τοις εκατό μόλις ωριμάσει η διεργασία.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα περίπου 420 έως 500 πλήρως λειτουργικά τσιπ ανά πλάκα.

5. Σενάριο Β: Σχεδιασμός βασισμένος σε Chiplet

Οι αρχιτεκτονικές Chiplet βελτιώνουν δραματικά την απόδοση της πλάκας.

Για ένα chiplet λογικής 30 mm², η ίδια πλάκα μπορεί θεωρητικά να φιλοξενήσει πάνω από 2.200 τσιπ. Μετά τις γεωμετρικές απώλειες, παραμένουν περίπου 2.000 έως 2.100 ακατέργαστα τσιπ.

Επειδή τα μικρότερα τσιπ είναι λιγότερο ευαίσθητα σε ελαττώματα, οι αποδόσεις φτάνουν συνήθως το 90 έως 95 τοις εκατό.

Αυτό παράγει περίπου 1.800 έως 2.000 καλά chiplets ανά πλάκα, εξηγώντας γιατί οι στρατηγικές που βασίζονται σε chiplet γίνονται κυρίαρχες σε προηγμένους κόμβους.

6. Σενάριο Γ: Μεγάλο τσιπ υπολογιστών AI

Οι μεγάλοι επεξεργαστές AI ωθούν την οικονομία της πλάκας στα όριά της.

Με μέγεθος τσιπ 500 mm², μια πλάκα μπορεί να χωρέσει μόνο περίπου 110 έως 120 ακατέργαστα τσιπ μετά τις απώλειες άκρων. Οι πρώτες αποδόσεις για τέτοια μεγάλα τσιπ στα 2 nm μπορεί να κυμανθούν μεταξύ 40 και 60 τοις εκατό.

Ως αποτέλεσμα, μόνο περίπου 45 έως 70 χρησιμοποιήσιμα τσιπ μπορούν να ληφθούν από μια μόνο πλάκα, συμβάλλοντας άμεσα στο υψηλό κόστος του προηγμένου υλικού AI.

7. Ο ρόλος της πυκνότητας ελαττωμάτων

Η απόδοση συνδέεται στενά με την πυκνότητα ελαττωμάτων. Ένα απλοποιημένο μοντέλο απόδοσης δείχνει ότι η απόδοση μειώνεται εκθετικά με την αύξηση της περιοχής του τσιπ.

Ακόμη και πολύ χαμηλές πυκνότητες ελαττωμάτων μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τα μεγάλα τσιπ. Σε προηγμένους κόμβους, η απόδοση συχνά υπερτερεί του κόστους της πλάκας ως ο κυρίαρχος παράγοντας στον καθορισμό της τελικής τιμής ενός τσιπ.

8. Γιατί οι μέγιστοι αριθμοί τσιπ είναι παραπλανητικοί

Οι καθαρά γεωμετρικοί υπολογισμοί αγνοούν πολλούς πραγματικούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων των γραμμών χάραξης, των δομών δοκιμών, των κυκλωμάτων πλεονασμού και της διαλογής απόδοσης.

Τα τσιπ από την ίδια πλάκα μπορεί να διαφέρουν σε ταχύτητα, κατανάλωση ενέργειας και ανοχή τάσης. Μόνο ένα μέρος από αυτά πληρούν τις προϋποθέσεις για προϊόντα κορυφαίας κατηγορίας.

9. Ρεαλιστικά αποτελέσματα με μια ματιά

Για μια πλάκα 300 mm στον κόμβο 2 nm, τα ρεαλιστικά αποτελέσματα είναι περίπου:

• 45 έως 70 καλά τσιπ για μεγάλους επεξεργαστές AI

• 420 έως 500 καλά τσιπ για κινητά SoCs

• 1.800 έως 2.000 καλά chiplets λογικής

Αυτοί οι αριθμοί αντικατοπτρίζουν τις πραγματικότητες της κατασκευής και όχι τα θεωρητικά όρια.

10. Κοιτάζοντας πέρα ​​από τους αριθμούς

Στον κόμβο 2 nm, η πρόοδος δεν καθοδηγείται πλέον μόνο από τη συρρίκνωση των χαρακτηριστικών. Εξαρτάται από την ποιότητα των υλικών, την επιπεδότητα της πλάκας, τον έλεγχο ελαττωμάτων και τις προηγμένες στρατηγικές συσκευασίας.

Η πιο σημαντική ερώτηση δεν είναι πλέον πόσα τσιπ χωράνε σε μια πλάκα, αλλά πόσα τσιπ υψηλής απόδοσης, αξιόπιστα και οικονομικά βιώσιμα μπορούν να επιβιώσουν σε ολόκληρη τη διαδικασία κατασκευής—από την ανάπτυξη κρυστάλλων έως την τελική συσκευασία.