Mówiąc delikatnie, łańcuch dostaw 8-calowych (200 mm) wafli krzemowych jest obecnie nieco niespokojny. Jak czytamy w jednym z nagłówków z grudnia, "wydajność procesów korzystających z 8-calowych wafli jest niewystarczająca na niewyobrażalnym poziomie", a artykuł ten stwierdza, że "zdolności produkcyjne wafli są tak małe, że zapotrzebowanie klientów na moce produkcyjne osiągnęło poziom paniki". Od połowy 2021 roku "do drugiej połowy 2022 r. rynek logiki i pamięci DRAM będzie niedostępny".
"Nie jest to nowy problem", jak stwierdził Trends Force mniej więcej w tym samym czasie, "od drugiej połowy 2019 r. możliwość produkcyjna przemysłu w zakresie wafla 8-calowego jest bardzo ograniczona". A EE Times informowało już w lutym 2020 roku, że "występują niedobory materiałów w 8-calowych fabrykach pracujących z 99% wydajnością w pierwszym kwartale 2020". Dodatkowo, marcowy pożar fabryki Renesasa używanej przez GM i innych producentów samochodów może tylko pogorszyć sytuację. Jak ujął to artykuł, opublikowany w Nikkei: "Utrata zdolności produkcyjnych w zakresie zaawansowanych półprzewodników może pogłębić globalny kryzys na rynku samochodowym".
Przyczyn tych problemów jest wiele, ale zostały one znacznie zaostrzone przez pandemię, która spowodowała zwiększenie popytu na wiele rodzajów produktów, w tym słuchawki, komputery, telewizory, monitory i telefony komórkowe. Do tego dochodzą sektory, takie jak motoryzacja, które w tym roku miały zacząć wychodzić z pandemii. I chociaż produkty mają na celu zintegrowanie wielu funkcji w jednym SoC, wiele produktów zazwyczaj ma cyfrowy układ scalony, któremu towarzyszy jeden lub więcej układów towarzyszących, zajmujących się sygnałami mieszanymi. Obejmują one aplikacje, takie jak zarządzanie energią (PMIC), obróbka obrazu z sensorów CMOS, digitalizacja odcisków palców, sterowanie silnikiem i podwoziem samochodu, sterowniki wyświetlacza i radiotelefony o częstotliwości poniżej GHz. Układy te zazwyczaj wykorzystują technologię 180 nm lub 350 nm i produkowane są na 8-calowym (200mm) podłożu krzemowym.
Krótko mówiąc, ciągły wzrost popytu na mieszane chipy sygnałowe i urządzenia zasilające jest głównym powodem niedoboru mocy produkcyjnych 8-calowych wafli.
Rys.1. Procesy 12” i 8” realizowane przez TSMC w technologii 130 nm obejmują układy scalone cyfrowe, analogowe, RF, wysokonapięciowe, MEMS i BCD-Power.
Przy dostawie wafli 8-calowych można założyć, że firmy produkcyjne zwiększyłyby wydajność, gdyby mogły. Fabryki te chcą nabyć kolejne 8-calowe linie produkcyjne i sprzęt od IDM. Jednym z ostatnich przykładów jest tutaj fakt, że UMC podobno prowadzi rozmowy w sprawie nabycia 8-calowych linii od Toshiby.
Jednak, jak wynika z powyższego raportu TrendsForce, poważne niedobory takich podłóż od drugiej połowy 2019 roku można przypisać temu, że "prawie żaden dostawca nadal nie produkuje 8-calowego sprzętu półprzewodnikowego, co oznacza, że cena takiego sprzętu gwałtownie wzrosła. Co więcej, ponieważ ceny wafli 8-calowych są stosunkowo niskie w porównaniu do cen wafli 12-calowych, fabryki generalnie uważają, że zwiększanie wydajności produkcyjnych sprzętu do podłóż 8-calowych jest nieopłacalne". I to powoduje efekt domina, ponieważ niektóre fabryki podnoszą w konsekwencji swoje ceny 8-calowych wafli. Innymi słowy, ekonomia 8-calowych wafli sprawia, że te niedobory są inherentną cechą, a nie usterką w łańcuchu dostaw. Wiele wskazuje, że sytuacja ta się nie poprawi w najbliższej przyszłości. W przeciwieństwie do 12-calowych (300mm) zakładów produkcyjnych, gdzie pojawia się wiele ogłoszeń dotyczących dalszych inwestycji w zdolności produkcyjne — zwłaszcza ze strony TSMC i GlobalFoundries.
Biorąc pod uwagę prawdopodobieństwo, że nie będzie rozbudowy 8-calowej linii produkcyjnej; niektórzy dostawcy układów scalonych przenoszą swoje istniejące projekty z 8-calowych linii (180 nm i 350 nm) na nowsze linie wykorzystujące 12-calowe wafle. Wiele fabryk zapewnia odpowiednie procesy 130 nm na 12-calowych podłożach, które mogą być wykorzystywane jako drugie lub główne źródło do obsługi przyszłych potrzeb w zakresie wydajności produkcyjnej i dodać różnorodność geograficzną w łańcuchu dostaw.
Właściwości węzłów procesowych 180 nm vs. 130 nm
Nawet pomiędzy podobnymi węzłami procesowymi, takimi jak 180 nm i 130 nm, istnieją różnice właściwości. Kluczem jest różny spadek napięcia progowego tranzystora, zgodnie ze zmniejszeniem napięcia zasilania rdzenia z 1,8 V do 1,5 V lub nawet do 1,2 V. Dostępne są różne opcje procesowe do obsługi IO 5 V i 3,3 V oraz elementów pasywnych, oferowane są również niezbędne do projektowania analogowego i RF pakiety projektowe ito. Wszystko to jest podobne między tymi węzłami procesowymi.
Rys.2. Porównanie głównych węzłów używanych w układach ASIC z mieszanym sygnałem.
Technologie 12-calowe mają pewne zalety. Generalnie używają miedzi do połączeń metalowych, podczas gdy aluminium o wyższej rezystywności jest używane w starszych technologiach; pozwala to na zwiększenie gęstości prądu i lepszą ochronę przed elektromigracją. Technologie 12-calowe obsługują również większą liczbę warstw metalu, co w połączeniu z mniejszymi rozmiarami tranzystora pozwala na zwiększenie gęstości tranzystora i routingu w układzie, a tym samym zmniejszenie powierzchni chipa lub zwiększenie funkcjonalności przy danej cenie jednostkowej.
Ponadto wiele technologii 180nm i większość 130nm BCD (bipolar-CMOS-DMOS) obsługuje takie funkcje, jak płytka izolacja STI dla większej gęstości, lepsza ochrona przed zatrzaskiwaniem i izolacja od szumów podłoża w porównaniu z lokalnym utlenianiem krzemu (LOCOS) izolacja stosowana w większości technologii 350nm. Poprawia to parametry i niezawodność produkowanych obwodów. Ulepszona litografia zastosowana w nowszych 12-calowych waflach zapewnia lepsze dopasowanie urządzenia do potrzeb, co zwiększa wydajność produkcji. Przekłada się to na wspieranie niższej ceny za dobrą jakość.
Ponadto węzły BCD 130 nm są teraz bardzo dojrzałymi technologiami, które oferują znacznie więcej opcji procesowych, w tym różne klasy tranzystorów wysokiego napięcia, pamięci nieulotne (OTP, Flash), nakładki MIM, diody Zenera lub Schottky'ego itp. Może to przynieść korzyści integracji złożonych funkcji analogowych/RF w bardziej konkurencyjne rozwiązania SoC.
Koszt a stabilność łańcucha dostaw
Nie oznacza to, że nie ma powodów, aby trzymać się 8-calowych wafli. W przeliczeniu na powierzchnię, 8-calowe wafle 350 nm były tanie – tanie jak barszcz, można nawet powiedzieć.
Dzieje się tak, ponieważ sprzęt produkcyjny jest w pełni amortyzowany, a proces produkcyjny charakteryzuje się niską złożonością (mała liczba warstw). Dodatkowo, niektóre obwody analogowe nie zawsze skalują się tak dobrze w nowszych węzłach, przez co chipy równoważne 130 nm mogą być droższe niż układy 350 nm. Jednak w większości przypadków niemożność dostarczenia produktu (czy to pary słuchawek, telefonu komórkowego, czy samochodu) z powodu niedoborów komponentów, spowoduje więcej bólu niż niewielka różnica kosztów na układzie scalonym.
Co więcej, zaprojektowanie kompatybilnego urządzenia o dopasowanych parametrach elektrycznych może być trudne podczas przemieszczania się między węzłami ze względu na różne źródła zasilania, obsługę napięć wejścia i wyjścia i różne charakterystyki tranzystorów w obu technologiach. Każdy projekt musiałby zostać przeanalizowany, aby potwierdzić, że jest to możliwe i nie powoduje znaczących kosztów, które można łatwiej przezwyciężyć, wykonując nowy projekt płytek drukowanych. Należy zauważyć, że istnieje ogromna różnica pomiędzy przejściem z 180 nm do 130 nm a ogromnym skokiem od projektów 350nm do 130nm.
Warto również zauważyć w tym momencie dyskusji, że obecnie fabryki nie mówią o migracji 8-calowych zestawów projektowych 180 nm do 12-calowych linii. Wykwalifikowane domy ASIC o mieszanym sygnale (takie jak EnSilica) będą musiały wykonać tę pracę, zaczynając od schematu portu poziomu lub z arkusza danych IC.
Implikacje
Biorąc pod uwagę inwestycje wymagane do przeprojektowania ASIC, wskazane byłoby przyjrzenie się integracji innych funkcji, na które również mogą mieć wpływ problemy z 8-calowym łańcuchem dostaw, w szczególności mikrokontrolery.
Mniejszy rozmiar elementów przy technologii 130 nm umożliwiłby integrację procesorów klasy ARM Cortex M przy niewielkim dodatkowym koszcie krzemu. Rzeczywiście, wymagana wydajność procesora i wymagania dotyczące pamięci będą dominującymi czynnikami wpływającymi na opłacalność integracji; z zaledwie kilkoma milimetrami kwadratowymi powierzchni krzemu wymaganej dla procesora z niższej półki i kilkoma więcej potrzebnymi do opłacalnej integracji 64 lub 128 kB SRAM.
W przypadku pamięci nieulotnej często dostępne są pamięci OTP, MTP oraz Flash, dające wydajność rzędu kilkuset MHz, co zwykle jest wystarczające dla większości tego typu aplikacji. W przypadku korzystania z mikrokontrolerów z rdzeniem ARM Cortex M0 lub M3, które zwykle dobrze pasują do 130 nm, należy zacząć od bezpłatnego (wyłącznie opłata licencyjna płacona za każdy element) narzędzia ARM Design Start Pro.
Harmonogram przeprojektowania ASIC na podstawie aktualnej karty katalogowej i zakwalifikowania go do produkcji wynosić może od 14 do 24 miesięcy, w zależności od złożoności, pierwszy prototypowy krzem może być już u klienta w mniej niż rok. W przypadku produktów motoryzacyjnych od specyfikacji do gotowego elementu trzeba poczekać od 24 do 36 miesięcy, ponownie w zależności od złożoności. Typowe budżety dla ASIC 130 nm będą się różnić w zależności od złożoności projektu i koniecznych licencji IP, ale zaczynają się od ok. 600 tysięcy dolarów, rozciągając się do ok. 4 milionów dolarów za komponent zakwalifikowany do AEC-Q100 do zastosowań motoryzacyjnych. Koszt oprzyrządowania maski 130 nm w procesie 12-calowym wynosi teraz poniżej 200 000 dolarów, a więc stanowi stosunkowo niewielka część całkowitego kosztu.
Wiele mieszanych urządzeń sygnałowych jest produkowanych na 8-calowych podłożach, których obecnie brakuje na rynku, a brak inwestycji, spowodowany niskim zwrotem z inwestycji, na tych liniach produkcyjnych oznacza, że problemy z łańcuchem dostaw prawdopodobnie będą się utrzymywać.
Obecne niedobory należy traktować jako ostrzeżenie - firmy stosujące obecnie krzem na 8-calowych waflach powinny za priorytetowe uznać migrację najważniejszych komponentów na 12", szczególnie, jeśli układy są perspektywiczne. Krok taki wymaga znacznej pracy, ale firmy powinny rozważyć przeniesienie produkcji do 12-calowego węzła i zapewnić wystarczająco dużo czasu na zakończenie całego procesu — czy to w podstawowym, czy w innym zakładzie produkcyjnym.
Źródło: https://www.eetimes.com/shift-from-8-wafer-fabs-to-12-could-ease-ic-shortages/
"Nie jest to nowy problem", jak stwierdził Trends Force mniej więcej w tym samym czasie, "od drugiej połowy 2019 r. możliwość produkcyjna przemysłu w zakresie wafla 8-calowego jest bardzo ograniczona". A EE Times informowało już w lutym 2020 roku, że "występują niedobory materiałów w 8-calowych fabrykach pracujących z 99% wydajnością w pierwszym kwartale 2020". Dodatkowo, marcowy pożar fabryki Renesasa używanej przez GM i innych producentów samochodów może tylko pogorszyć sytuację. Jak ujął to artykuł, opublikowany w Nikkei: "Utrata zdolności produkcyjnych w zakresie zaawansowanych półprzewodników może pogłębić globalny kryzys na rynku samochodowym".
Przyczyn tych problemów jest wiele, ale zostały one znacznie zaostrzone przez pandemię, która spowodowała zwiększenie popytu na wiele rodzajów produktów, w tym słuchawki, komputery, telewizory, monitory i telefony komórkowe. Do tego dochodzą sektory, takie jak motoryzacja, które w tym roku miały zacząć wychodzić z pandemii. I chociaż produkty mają na celu zintegrowanie wielu funkcji w jednym SoC, wiele produktów zazwyczaj ma cyfrowy układ scalony, któremu towarzyszy jeden lub więcej układów towarzyszących, zajmujących się sygnałami mieszanymi. Obejmują one aplikacje, takie jak zarządzanie energią (PMIC), obróbka obrazu z sensorów CMOS, digitalizacja odcisków palców, sterowanie silnikiem i podwoziem samochodu, sterowniki wyświetlacza i radiotelefony o częstotliwości poniżej GHz. Układy te zazwyczaj wykorzystują technologię 180 nm lub 350 nm i produkowane są na 8-calowym (200mm) podłożu krzemowym.
Krótko mówiąc, ciągły wzrost popytu na mieszane chipy sygnałowe i urządzenia zasilające jest głównym powodem niedoboru mocy produkcyjnych 8-calowych wafli.
Rys.1. Procesy 12” i 8” realizowane przez TSMC w technologii 130 nm obejmują układy scalone cyfrowe, analogowe, RF, wysokonapięciowe, MEMS i BCD-Power.
Przy dostawie wafli 8-calowych można założyć, że firmy produkcyjne zwiększyłyby wydajność, gdyby mogły. Fabryki te chcą nabyć kolejne 8-calowe linie produkcyjne i sprzęt od IDM. Jednym z ostatnich przykładów jest tutaj fakt, że UMC podobno prowadzi rozmowy w sprawie nabycia 8-calowych linii od Toshiby.
Jednak, jak wynika z powyższego raportu TrendsForce, poważne niedobory takich podłóż od drugiej połowy 2019 roku można przypisać temu, że "prawie żaden dostawca nadal nie produkuje 8-calowego sprzętu półprzewodnikowego, co oznacza, że cena takiego sprzętu gwałtownie wzrosła. Co więcej, ponieważ ceny wafli 8-calowych są stosunkowo niskie w porównaniu do cen wafli 12-calowych, fabryki generalnie uważają, że zwiększanie wydajności produkcyjnych sprzętu do podłóż 8-calowych jest nieopłacalne". I to powoduje efekt domina, ponieważ niektóre fabryki podnoszą w konsekwencji swoje ceny 8-calowych wafli. Innymi słowy, ekonomia 8-calowych wafli sprawia, że te niedobory są inherentną cechą, a nie usterką w łańcuchu dostaw. Wiele wskazuje, że sytuacja ta się nie poprawi w najbliższej przyszłości. W przeciwieństwie do 12-calowych (300mm) zakładów produkcyjnych, gdzie pojawia się wiele ogłoszeń dotyczących dalszych inwestycji w zdolności produkcyjne — zwłaszcza ze strony TSMC i GlobalFoundries.
Biorąc pod uwagę prawdopodobieństwo, że nie będzie rozbudowy 8-calowej linii produkcyjnej; niektórzy dostawcy układów scalonych przenoszą swoje istniejące projekty z 8-calowych linii (180 nm i 350 nm) na nowsze linie wykorzystujące 12-calowe wafle. Wiele fabryk zapewnia odpowiednie procesy 130 nm na 12-calowych podłożach, które mogą być wykorzystywane jako drugie lub główne źródło do obsługi przyszłych potrzeb w zakresie wydajności produkcyjnej i dodać różnorodność geograficzną w łańcuchu dostaw.
Właściwości węzłów procesowych 180 nm vs. 130 nm
Nawet pomiędzy podobnymi węzłami procesowymi, takimi jak 180 nm i 130 nm, istnieją różnice właściwości. Kluczem jest różny spadek napięcia progowego tranzystora, zgodnie ze zmniejszeniem napięcia zasilania rdzenia z 1,8 V do 1,5 V lub nawet do 1,2 V. Dostępne są różne opcje procesowe do obsługi IO 5 V i 3,3 V oraz elementów pasywnych, oferowane są również niezbędne do projektowania analogowego i RF pakiety projektowe ito. Wszystko to jest podobne między tymi węzłami procesowymi.
Rys.2. Porównanie głównych węzłów używanych w układach ASIC z mieszanym sygnałem.
Technologie 12-calowe mają pewne zalety. Generalnie używają miedzi do połączeń metalowych, podczas gdy aluminium o wyższej rezystywności jest używane w starszych technologiach; pozwala to na zwiększenie gęstości prądu i lepszą ochronę przed elektromigracją. Technologie 12-calowe obsługują również większą liczbę warstw metalu, co w połączeniu z mniejszymi rozmiarami tranzystora pozwala na zwiększenie gęstości tranzystora i routingu w układzie, a tym samym zmniejszenie powierzchni chipa lub zwiększenie funkcjonalności przy danej cenie jednostkowej.
Ponadto wiele technologii 180nm i większość 130nm BCD (bipolar-CMOS-DMOS) obsługuje takie funkcje, jak płytka izolacja STI dla większej gęstości, lepsza ochrona przed zatrzaskiwaniem i izolacja od szumów podłoża w porównaniu z lokalnym utlenianiem krzemu (LOCOS) izolacja stosowana w większości technologii 350nm. Poprawia to parametry i niezawodność produkowanych obwodów. Ulepszona litografia zastosowana w nowszych 12-calowych waflach zapewnia lepsze dopasowanie urządzenia do potrzeb, co zwiększa wydajność produkcji. Przekłada się to na wspieranie niższej ceny za dobrą jakość.
Ponadto węzły BCD 130 nm są teraz bardzo dojrzałymi technologiami, które oferują znacznie więcej opcji procesowych, w tym różne klasy tranzystorów wysokiego napięcia, pamięci nieulotne (OTP, Flash), nakładki MIM, diody Zenera lub Schottky'ego itp. Może to przynieść korzyści integracji złożonych funkcji analogowych/RF w bardziej konkurencyjne rozwiązania SoC.
Koszt a stabilność łańcucha dostaw
Nie oznacza to, że nie ma powodów, aby trzymać się 8-calowych wafli. W przeliczeniu na powierzchnię, 8-calowe wafle 350 nm były tanie – tanie jak barszcz, można nawet powiedzieć.
Dzieje się tak, ponieważ sprzęt produkcyjny jest w pełni amortyzowany, a proces produkcyjny charakteryzuje się niską złożonością (mała liczba warstw). Dodatkowo, niektóre obwody analogowe nie zawsze skalują się tak dobrze w nowszych węzłach, przez co chipy równoważne 130 nm mogą być droższe niż układy 350 nm. Jednak w większości przypadków niemożność dostarczenia produktu (czy to pary słuchawek, telefonu komórkowego, czy samochodu) z powodu niedoborów komponentów, spowoduje więcej bólu niż niewielka różnica kosztów na układzie scalonym.
Co więcej, zaprojektowanie kompatybilnego urządzenia o dopasowanych parametrach elektrycznych może być trudne podczas przemieszczania się między węzłami ze względu na różne źródła zasilania, obsługę napięć wejścia i wyjścia i różne charakterystyki tranzystorów w obu technologiach. Każdy projekt musiałby zostać przeanalizowany, aby potwierdzić, że jest to możliwe i nie powoduje znaczących kosztów, które można łatwiej przezwyciężyć, wykonując nowy projekt płytek drukowanych. Należy zauważyć, że istnieje ogromna różnica pomiędzy przejściem z 180 nm do 130 nm a ogromnym skokiem od projektów 350nm do 130nm.
Warto również zauważyć w tym momencie dyskusji, że obecnie fabryki nie mówią o migracji 8-calowych zestawów projektowych 180 nm do 12-calowych linii. Wykwalifikowane domy ASIC o mieszanym sygnale (takie jak EnSilica) będą musiały wykonać tę pracę, zaczynając od schematu portu poziomu lub z arkusza danych IC.
Implikacje
Biorąc pod uwagę inwestycje wymagane do przeprojektowania ASIC, wskazane byłoby przyjrzenie się integracji innych funkcji, na które również mogą mieć wpływ problemy z 8-calowym łańcuchem dostaw, w szczególności mikrokontrolery.
Mniejszy rozmiar elementów przy technologii 130 nm umożliwiłby integrację procesorów klasy ARM Cortex M przy niewielkim dodatkowym koszcie krzemu. Rzeczywiście, wymagana wydajność procesora i wymagania dotyczące pamięci będą dominującymi czynnikami wpływającymi na opłacalność integracji; z zaledwie kilkoma milimetrami kwadratowymi powierzchni krzemu wymaganej dla procesora z niższej półki i kilkoma więcej potrzebnymi do opłacalnej integracji 64 lub 128 kB SRAM.
W przypadku pamięci nieulotnej często dostępne są pamięci OTP, MTP oraz Flash, dające wydajność rzędu kilkuset MHz, co zwykle jest wystarczające dla większości tego typu aplikacji. W przypadku korzystania z mikrokontrolerów z rdzeniem ARM Cortex M0 lub M3, które zwykle dobrze pasują do 130 nm, należy zacząć od bezpłatnego (wyłącznie opłata licencyjna płacona za każdy element) narzędzia ARM Design Start Pro.
Harmonogram przeprojektowania ASIC na podstawie aktualnej karty katalogowej i zakwalifikowania go do produkcji wynosić może od 14 do 24 miesięcy, w zależności od złożoności, pierwszy prototypowy krzem może być już u klienta w mniej niż rok. W przypadku produktów motoryzacyjnych od specyfikacji do gotowego elementu trzeba poczekać od 24 do 36 miesięcy, ponownie w zależności od złożoności. Typowe budżety dla ASIC 130 nm będą się różnić w zależności od złożoności projektu i koniecznych licencji IP, ale zaczynają się od ok. 600 tysięcy dolarów, rozciągając się do ok. 4 milionów dolarów za komponent zakwalifikowany do AEC-Q100 do zastosowań motoryzacyjnych. Koszt oprzyrządowania maski 130 nm w procesie 12-calowym wynosi teraz poniżej 200 000 dolarów, a więc stanowi stosunkowo niewielka część całkowitego kosztu.
Wiele mieszanych urządzeń sygnałowych jest produkowanych na 8-calowych podłożach, których obecnie brakuje na rynku, a brak inwestycji, spowodowany niskim zwrotem z inwestycji, na tych liniach produkcyjnych oznacza, że problemy z łańcuchem dostaw prawdopodobnie będą się utrzymywać.
Obecne niedobory należy traktować jako ostrzeżenie - firmy stosujące obecnie krzem na 8-calowych waflach powinny za priorytetowe uznać migrację najważniejszych komponentów na 12", szczególnie, jeśli układy są perspektywiczne. Krok taki wymaga znacznej pracy, ale firmy powinny rozważyć przeniesienie produkcji do 12-calowego węzła i zapewnić wystarczająco dużo czasu na zakończenie całego procesu — czy to w podstawowym, czy w innym zakładzie produkcyjnym.
Źródło: https://www.eetimes.com/shift-from-8-wafer-fabs-to-12-could-ease-ic-shortages/
Cool? Ranking DIY
