Hoe EUV-lithografie een stoelendans in processorland veroorzaakt

De hele chipindustrie maakt zich al jaren klaar om een belangrijke overstap te maken naar Extreme Ultraviolet (EUV)-lithografie. De techniek is cruciaal voor 5 nanometerchips en alle verkleiningen die daarop volgen. Maar hoever staan Intel, Samsung, TSMC en andere concurrenten?

Vorige week sloeg het nieuws van GlobalFoundries in als een bom: “We schrappen de 7 nm-verkleining en focussen ons op 14 nm en 10 nm.” Het zorgde ervoor dat AMD direct alle 7 nm-plannen voor zijn CPU’s naar TSMC verhuisde, omdat zij wel machines hebben die op 7 nm bakken. Samsung wacht met 7 nm tot hun EUV-lasers klaar zijn en Intel blijft hopeloos hangen op 14 nm. Chip-lithografie is ontzettend complex en de volgende stap naar EUV blijkt onverwacht lastig.

Waarom?

Waarom is EUV zo belangrijk in de chipwereld? Vandaag gebruikt iedereen een Argon Fluoride (ArF)-laser die een diep UV-licht produceert met een golflengte van 193 nm. Dankzij een techniek genaamd immersielithografie kunnen ze de resolutie verhogen, maar sommige complexe functies moeten ze vandaag in meerdere stappen doorlopen. EUV-lithografie genereert licht met een golflengte van 13,5 nm.

EUV heeft heel wat voordelen. Zo krijg je een beter resultaat op vlak van patroonefficiëntie en minder variabiliteit in dimensie. Kort samengevat: wat je print is wat je effectief krijgt. Samsung claimt dat de nieuwe tools 70 procent correctere patronen afleveren vergeleken met de 193 nm ArF-tools.

Het allerbelangrijkste is echter de budgetbesparing die EUV met zich meebrengt. Op 7 nm kan de machine contacten en bepaalde metaallagen met één stap maken, terwijl dat bij 193 nm ArF meerdere belichtingen nodig heeft.

Sinds 1996

EUV is de toekomst, maar dat is het al heel lang. De allereerste nationale programma’s voor de ontwikkeling van EUV begonnen in 1996 – 1997. De eerste roadmap slide van Intel waarin EUV staat vermeld, dateert van 2000. Volgens de chipfabrikant zouden de eerste processors al in 2004 van de band rollen. Veertien jaar later heeft Intel nog geen enkele chip op EUV gebakken en worstelt het met de overstap naar 10 nm met de klassieke ArF-technologie.

 

Tot 14 nanometer leidde Intel de dans, maar sindsdien hebben ze moeilijkheden om hun tick-tockprincipe te blijven volgen.

 

Intel heeft nochtans lang het voortouw genomen in de race naar de verkleining van nodes. Tot 14 nanometer leidde het de dans, maar sindsdien hebben ze moeilijkheden om hun tick-tockprincipe te blijven volgen. Klassiek was de werkwijze bij Intel altijd verkleinen (tick) en daarna optimaliseren (tock). Dit principe herhaalde zich elke twee jaar, om telkens de Wet van Moore toe te passen. 14 nm bleek een heel stevige muur, want sinds 2014 heeft Intel geen enkele verkleining meer kunnen realiseren.

Op kleine schaal produceert het één specifieke 10 nm-processor, maar de grote volumes zijn pas in 2019 gepland. Samsung heeft al sinds eind 2016 10 nm-machines actief, met TSMC in zijn zog sinds begin 2017.

Bewijzen

Rond EUV is het lang heel stil geweest, tot dit jaar. Het startte met Samsung dat zijn overstap naar 7 nm gepaard laat gaan met EUV-lithografie. Samsung heeft al verschillende hoge densiteit 256 Mb SRAM-testchips gebakken op zijn 7 nm-platform en haalt vandaag yields die hoger dan 50 procent liggen. Het kan vandaag ook al 7 nm quadcore CPU’s, sixcore GPU’s en SRAM-caches maken die volledig operationeel zijn. De 7 nm EUV-technologie levert 20 tot 30 procent betere transistorprestaties en gebruikt 30 tot 50 procent minder energie.

 

Samsung plant om eind dit jaar de risicoproductie van 7 nm-chips te starten.

 

Samsung plant om eind dit jaar de risicoproductie van 7 nm-chips te starten. Het kan een volledig jaar duren voordat er wordt overgeschakeld naar volumeproductie. De kans is daarom zo goed als nihil dat de Samsung Galaxy S10 een 7 nm-chip aan boord zal hebben volgend jaar.

TSMC gebruikt nog ArF-lithografie in zijn stap naar 7 nm (7FF) en plant pas begin 2019 de eerste trials met 7FF+ (EUV) voor klanten die daarin interesse hebben. De verbeteringen tussen 7FF en 7FF+ zijn heel beperkt, omdat TSMC nog niet kan bewijzen of de prestaties beter zijn. Wanneer je tussen de lijnen leest, zie je dat TSMC met EUV eerder een experimenteel traject bewandelt en ervaring wil opdoen zonder al te grote beloftes van grote productiedoelen.

Huidige machines

ASML is hofleverancier van lithografiemachines voor de meeste chipfabrikanten. De TWINSCAN NXB:3400 werd eind vorig jaar aangekondigd en kan 125 wafers per uur maken. Volgens Extremetech heeft ASML evenwel nog geen enkele keer aangekondigd dat er al wafers met de machine werden gemaakt.

TSMC laat weten dat zijn EUV-machines vandaag amper 145 watt halen, wat niet genoeg is voor commercieel gebruik. Sommige machines kunnen de productie van 250 watt aan voor een paar weken en TSMC mikt op 300 watt later dit jaar, maar de weg is nog lang.

Origineel werden de eerste 200 watt EUV-machines al in 2009 verwacht. Negen jaar later hebben we er nog geen enkele gezien. In 2011 werd zelfs een voorzichtige schatting gemaakt dat 500 watt EUV-machines mogelijk zouden zijn in 2013. In 2013 klonk het dat 250 watt haalbaar zou zijn tegen 2015. Vandaag klinkt het dat we nog een jaar verwijderd zijn van massaproductie met 250 watt EUV-machines.

 

ASML is hofleverancier van lithografiemachines voor de meeste chipfabrikanten.

 

De kans is groot dat EUV een probleem blijft het komende jaar en dat bedrijven nog blijven worstelen om het doel van 250 watt te halen. Door de trage opkomst van EUV en bijhorende onzekerheden naar de toekomst, valt af te wachten hoe snel EUV kan evolueren om verkleiningen naar 5 nm en verder optimaal te realiseren op grote schaal. Met ArF-lithografie wordt elke verkleining steeds moeilijker, maar de technologie heeft zich wel al jaren bewezen met de nodige garanties.

Voor wanneer?

Wanneer je leest dat Intel met EUV start in 2021, valt dat moeilijk te analyseren. Op het eerste gezicht lijkt het dat Samsung en TSMC een dominante stap voorwaarts hebben gezet, maar tot op vandaag hebben we nog geen enkel bewijs gezien dat iemand System-on-Chips (SoC) kan leveren in hoge volumes met EUV. Deze stap zou pas mogelijk zijn in 5 nm en daarvoor moet er eerst ook nog een nieuw membraan worden ontwikkeld.


Lees dit: Samsung toont als eerste EUV-details voor 7 nm-chips


2021 is voor Intel helemaal geen slechte deadline, als het daarmee (beperkte) massaproductie van een aantal chips bedoelt. Als ze de ontwikkeling goed aanpakken, dan kunnen ze zelfs opnieuw een voorsprong nemen vergeleken met de concurrentie, zoals dat tot 2016 altijd is geweest.

EUV is een radicale vernieuwing die nodig is om chips verder te verkleinen. Iedereen die roept ermee bezig te zijn, moet eerst resultaat leveren op grotere schaal buiten labo-omgevingen. Het zorgt voor een nieuwe start waar elke fabrikant zich opnieuw kan bewijzen en een voorsprong kan nemen.

 

Wij verwachten dat EUV zich stelselmatig gaat integreren in het huidige productieproces en stil verder groeit op de achtergrond.

 

Wij verwachten dat EUV zich stelselmatig gaat integreren in het huidige productieproces en stil verder groeit op de achtergrond. De verbeteringen van EUV zullen pas zichtbaar worden over verschillende nodes op voorwaarde dat fabrikanten de technologie omarmen.

Wanneer je volgende keer nog eens EUV vermeld ziet, probeer dan door de marketingpraat te prikken en kijk hoever de fabrikant echt staat met realistische productieresultaten. Voorlopig lijkt Samsung de EUV-dans te leiden, met TSMC als dichte tweede en Intel als derde. Afwachten hoe deze volgorde er binnen twee jaar uitziet, wanneer we (hopelijk) de eerste generatie EUV-chips mogen verwelkomen.