Летом 2022 года стало окончательно понятно, что китайская корпорация SMIC освоила производство микросхем по техпроцессу 7 нм.
Хотя специализированные процессоры MinerVa7 Bitcoin (SHA256 ASIC) мало кому интересны, но здесь любопытен технологический аспект. Получается, что если Китай освоил такой техпроцесс, то может в условиях торговых ограничений наладить производство CPU общего пользования, не уступающих процессорам TSMC (Apple, AMD) и Intel предпоследнего поколения?
Сразу появились подозрения, что китайский техпроцесс SMIC 7 нм скопирован с техпроцесса TSMC N7 образца 2018 года. И встал вопрос, какую фотолитографию использует Китай, ведь у них нет доступа к современным степперам ASML.
Вскоре компания TechReports провела реверс-инжиниринг чипов MinerVa7 Bitcoin и опубликовала более детальное сравнение техпроцессов, в котором подтвердила подозрения западных аналитиков.
Послойное сканирование микросхемы MinerVa7 AKA4573P1S0
Сравнение техпроцессов
| SMIC | TSMC | |||
|---|---|---|---|---|
| N+1, 7 нм | N7 | N7 HPC/N7P | N7+ | |
| Начало массового производства | Апрель 2022 | Сентябрь 2018 | Сентябрь 2019 | Ноябрь 2019 |
| Технология литографии | 193i ArF SA-LELE | 193i ArF SA-LELE | 193i ArF SA-LELE | 193i ArF SA-LELE/EUV |
| Направление M0/M1/M2/Mx | Однонаправленное | Однонаправленное | Однонаправленное | Однонаправленное |
| Минимальная высота трека | 6Т (2×2 fin) | 6Т (2×2 fin) | 6Т (2×2 fin) | 6Т (2×2 fin) |
| Схема расположения рёбер (fin) | SAQP | SAQP | SAQP | SAQP |
| Затвор | SADP + Cut | SADP + Cut | SADP + Cut | SADP + Cut |
| Разрыв диффузии (метод изоляции транзисторов) | SA-SDB | DDB | DDB | SA-SDB |
| CT/CG | W-filled | Co filled | Co filled | Co filled |
| M0 | однократный дамаскенаж, медь | однократный дамаскенаж, медь | однократный дамаскенаж, медь | однократный дамаскенаж, медь |
| M1/V0 | двойной дамаскенаж, медь | двойной дамаскенаж, медь | двойной дамаскенаж, медь | двойной дамаскенаж, медь |
Примечание:
- M0: Metal Zero, обычно локальный интерконнект в стандартной схеме ячеек
- M1: Metal 1
- M2: Metal 2
- Mx: прочие металлические слои, помимо M2
- SAQP: самовыравнивающаяся четверная схема
- Дамаскенаж: техника фотолитографии
- SDB: single diffusion break (одинарный разрыв диффузии)
- DDB: double diffusion break (двойной разрыв диффузии)
Для справки, в таблице ниже приведены характеристики техпроцесса TSMC N7 для разных слоёв:
Очевидно, что SMIC во многом повторяет техпроцессы TSMC 2018–2019 годов. Но это не полное копирование какого-то единственного техпроцесса, а сочетание наработок TSMC из нескольких технологических поколений. Из отчёта TechReports:
При детальном рассмотрении чипа MinerVa7 мы обнаружили, что в техпроцессе SMIC 7 нм реализован более плавный переход между компонентами, что отличает её от TSMC N7+ и Intel 10-нм, которые для изоляции транзисторов используют технологию SDB (однократный разрыв диффузии).
На иллюстрации показано, чем отличается DDB от SDB:
Анализ TechReports показал значительное сходство в технологическом процессе, дизайне и инновациях между SMIC 7 нм и TSMC 7 нм. Но эксперты пояснили, что SMIC будет очень сложно произвести сложные CPU, которые более чувствительны к возможным отклонениям производственного процесса, чем эта относительно простая микросхема ASIC.
Скорее всего, из-за торговых ограничений у SMIC нет полного набора вспомогательных библиотек IP, обычно предоставляются поставщиками EDA, такими как Synopsys, Cadence и Mentor Graphics. Есть вероятность, что SMIC не имеет возможности разработать и изготовить под заказ полный дизайн SoC. Кроме того, передача ARM IP (ARM POP) в Китай тоже невозможна из-за существующих торговых ограничений, что существенно затруднит будущее производство.
Фотолитография
Освоение 7 нм китайскими компаниями было вопросом времени, потому что большинство существующих вариантов этого техпроцесса не настолько продвинуто, чтобы использовать фотолитографию в глубоком ультрафиолете (EUV). Поэтому Китай смог наладить производство на относительно старом оборудовании, которое имел в своём распоряжении.
Например, на старом техпроцессе 7 нм производятся микросхемы Apple A12, AMD Zen 2, Snapdragon 855, а на новом — Apple A13, AMD Zen 3 и Snapdragon 865+.
Для уменьшения размера узлов в рамках одного технологического процесса на старом оборудовании используется многократное шаблонирование интегральной схемы в процессе литографической экспозиции. Для изготовления компонентов по техпроцессу 7 нм обычно требуется четырёхкратная экспозиция. Расчёт такой структуры требует определённых интеллектуальных ресурсов, но теоретически это возможно и на старом оборудовании, что и продемонстрировала SMIC.
Однако закупить новые EUV-степперы ASML по официальным каналам уже не получится из-за торговых ограничений, так что SMIC придётся искать выход из этой ситуации.
Копирование — естественный процесс
Многие специалисты считают, что в копировании передовых западных технологий нет ничего зазорного. Это вполне естественный процесс передачи опыта и знаний. Такой процесс свободно идёт в науке, промышленности, искусстве и многих других областях интеллектуальной деятельности. Он способен обходить искусственно созданные барьеры.
Торговые ограничения могут помешать передаче физического оборудования, но не знаний.
Носителями знаний являются люди, поэтому самый логичный способ перенять передовой опыт — пригласить ведущих разработчиков, изобретателей технологий, учёных, талантливых и умных исследователей. Именно так и поступила корпорация SMIC, которой в 2017 году удалось пригласить на работу из гениального инженера и топ-менеджера Лианг Монг Сонга (Liang Mong Song, 梁孟松, список научных работ), который почти двадцать лет работал в TSMC, закончив на должности со-CEO. С ним перешёл коллектив из около двухсот (!) инженеров.
На самом деле история немного сложнее. Сначала Сонга пригласила Samsung в 2010 году — он помог южнокорейской компании наладить производство 14/16 нм. А когда уже спустя семь лет переходил в SMIC, тогда к нему присоединились сотен тайваньских и корейских инженеров, многие из которых тоже раньше работали в TSMC.
В принципе, такой коллективный переход сотрудников из одной компании в другую — нормальное дело в современном бизнесе. Такое случалось в истории Fairchild Semiconductor, Zoom, Facebook и других фирм. Если коллектив специализируется на инновационных разработках в своей области, то вполне логично сделать это своим бизнесом — и оказывать помощь всем компаниям по очереди. В свою очередь, после запуска инновационного техпроцесса компания может какое-то время двигаться по накатанной — и эти инноваторы ей больше не нужны, так что они идут дальше.
На самом деле количество гениев в мире крайне ограничено, это редкие люди. В какой компании они работают — у той компании больше шансов добиться научно-технического прогресса и превзойти конкурентов. Поэтому на лучших в мире специалистов идёт своеобразная охота — их пытаются переманить, а текущие работодатели всячески препятствуют этому юридическими и финансовыми способами.
В любом случае, копирование технологий — естественный процесс. И если у компаний нет возможности покупать западные технологии, то перенимать передовой опыт и налаживать самостоятельное производство — это возможный выход из ситуации.
Насколько у китайских компаний получится сократить технологическое отставание от западных компаний, и получится ли это вообще — покажет время. Сейчас можно сделать вывод, что оно сократилось примерно до трёх-четырёх лет. Но дальнейший прогресс затруднён, потому что самые современные техпроцессы TSMC, Intel и Samsung используют новейшие EUV-степперы. ASML запрещено их продавать, а производство подобного оборудования на территории Китая пока отсутствует.
Скачок с 14 нм на 7 нм занял у SMIC всего лишь два года. Для сравнения, TSMC потребовалось три года для перехода с 16 нм на 7 нм с промежуточным этапом 10 нм, а Samsung потребовалось пять лет для перехода с 14 нм на 7 нм с промежуточным этапом 10 нм. Очевидно, это заметное достижение SMIC и всей промышленности Китая, у которой нет доступа к передовому западному оборудованию и технологиям.
