ARM TechCon 2012 Überholt Globalfoundries sogar TSMC?

Bereits 2014 will Globalfoundries erste 14-nm-SoCs mit FinFET-Transistoren fertigen, ein Jahr früher als Marktführer TSMC. Möglich soll dies werden, indem man wesentliche Elemente vom 20-nm-Prozess übernimmt, für den bereits spezielle "fin-freundliche" Design-Regeln aufgestellt wurden.

Bislang hat Globalfoundries wie auch Intel alles 2 Jahre eine neue Fertigungstechnologie eingeführt: Auf 130 nm im Jahr 2003 folgten 90 nm in 2005, 65 nm in 2007, 45/40 nm in 2009, 28 nm in 2011 und 2013 werden erste Chips in 20 nm folgen. Nun soll bereits aber nur 1 Jahr später, nämlich 2014, ein 14-nm-Prozess mit FinFET-Prozessoren eingeführt werden, was 1 Jahr früher wäre als TSMCs 16-nm-Prozess. Schon Ende 2012 soll es erste Tape-Outs für 14-nm-Chips geben.

Subramani Kengeri, Vice President of Design Solutions bei GlobalFoundries, erklärte, dass man schon beim Design des 20-nm-Prozesses die 14 nm im Hinterkopf gehabt habe und ergänzend zu den Design-Rules für 20 nm sogenannte „Fin-freundliche-Migrationsregeln“ aufgestellt habe, die ein Redesign von 20 nm auf 14 nm sehr vereinfachen würden – konkret müssten Kunden nur ca. 25 % ihres Designs überarbeiten. Globalfoundries arbeite davon abgesehen schon seit 1 Dekade an der FinFET-Technologie. Die Back-End-of-Line (BEOL), die hinsichtlich Dichte und Kosten für den 20-nm-Prozess optimiert worden sind, wird ebenso übernommen wie die Middle-of-Line (MOL), als einziger könne man eine Bibliothek mit ultra-kompakten 8T-Standardzellen liefern. Standardzellen werden spezifisch für einen Herstellungsprozess entworfen und bereits vor dem Anlauf der Massenfertigung mit geeigneten Teststrukturen gemessen und charakterisiert. Damit werden die kompletten Schaltungseigenschaften über den geplanten Betriebsbereich (Spannung, Temperatur) erfasst und in entsprechende Simulationsmodelle umgesetzt.

Auch die High-K/Metal-Gate-Technologie mit Gate-Last-Ansatz soll von 20 nm auf 14 nm übertragen werden. In Abhängigkeit der Versorgungsspannung sieht Globalfoundries gegenüber von 20-nm-Planartransistoren eine mögliche Erhöhung der Taktfrequenz von 20 bis 55 %, wobei der größte Vorteil bei niedrigen Spannungen auftritt, was Mobil-Applikationen entgegenkommt.  Alternativ kann bei gleicher Taktfrequenz die Versorgungsspannung um 30 % gesenkt werden, die ja quadratisch in den Energieverbrauch eingeht.

Hervorgehoben hat Kengeri, dass der Kunde den Betriebspunkt (höhere Taktfrequenz oder geringere Leistungsaufnahme) für einzelne SoC-Blöcke individuell im selben Prozess festlegen kann- so kann z.B. die CPU geschwindigkeitsoptimiert werden, während die GPU auf eine niedrige Leistungsaufnahme optimiert wird. Besonders soll sich der FinFET-Prozess auch für Analog-Blöcke bezahlt machen: Durch die verringerten Schwankungen und geringeren Temperaturabhängigkeiten der Transistor-Schwellenspannungen will man wieder die Analog-Charakteristik eines 65-nm-Chips erreichen.

Extrem wichtig für die Energieeffizienz, Widerstand und Kapazitäten, Kosten, Skalierbarkeit und Prozesskomplexität ist der Abstand von einem Fin zum nächsten, dem sogenannten Fin-Pitch. Hier erreicht Globalfoundries 48 nm, was deutlich weniger ist als die 60 nm, die Intel in seinem ersten FinFET-Prozess mit einer Strukturbreite von 22 nm erzielt hat.