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Samsung vient d'annoncer une nouvelle version de son process 14nm, qui fait suite aux 14LPE et 14LPP. Cette nouvelle version porte, c'est dans l'ère du temps, le nom de 11LPP. Il faut bien évidemment faire un parallèle avec le 12nm de TSMC qui est une variante de leur 16nm.

Samsung annonce atteindre une réduction de 10% de la surface des puces avec son 11LPP par rapport au 14LPP (la méthode n'est pas précisée, probablement de nouvelles bibliothèques optimisées) et des performances en hausses de 15% à consommation égale. Le coût et la disponibilité en volume devraient être l'argument principal de cette nouvelle variante de process qui sera disponible pour le premier semestre 2018.

En parallèle, Samsung profite du même communiqué de presse pour indiquer que son 7nm EUV est "à l'heure" et toujours prévu pour une production "initiale" sur le second semestre 2018. ASML avait annoncé cet été des progrès sur les sources lumineuses, Samsung devrait donner plus de détails sans son Samsung Foundry Forum qui se tiendra à Tokyo en fin de semaine.

Samsung a donné quelques détails  sur les prochaines versions de ses process de fabrication, annonçant pas moins de cinq nouveaux process baptisés 8LPP, 7LPP, 6LPP, 5LPP et... 4LPP. Quelques informations sont données sur les différences. Ainsi, le 8LPP sera une variante du process 10nm de Samsung qui profitera de gains de performances ainsi que de gains de densité, possiblement par l'utilisation de nouvelles bibliothèques (les blocs de base qui servent à créer les puces).

Le 7LPP sera le prochain "vrai" node de Samsung. Prévu pour la fin 2018, il s'agira du premier node à introduire la lithgraphie EUV. Le constructeur indique dans son communiqué de presse avoir co-développé avec ASML une source lumineuse 250W pour cette mise en production (pour rappel, tous les fabricants ont collaboré avec ASML sur l'EUV, TSMC évoquait également 250W fin 2018 pour la mise en production de l'EUV).

Le 6LPP sera une variante optimisée du 7LPP qui utilisera ce que le marketing appelle du "Smart Scaling", diverses techniques permettant d'améliorer la densité. Il s'agira surtout pour Samsung de profiter de l'apprentissage de son premier process EUV pour optimiser légèrement les choses.

Le 5LPP sera vraisemblablement le "node" suivant au sens traditionnel du terme, il servira à préparer le terrain pour le suivant. Car c'est au niveau du 4LPP qu'un gros changement arrivera avec un passage à un nouveau type de structure de transistor. Samsung utilisera des transistors dit Gate All Around (GAAFET) qui sont une variante des FinFET où la Gate entoure le canal. La version de Samsung sera baptisée MBCFET (Multi Bridge Channel FET) et utilisera une nanosheet sur laquelle aucun détail n'est donné pour l'instant.

Les différences entre les types de transistors (source )

Ces nodes et ces variantes devraient apparaître progressivement dans les années à venir, Samsung évoquant simplement son 4LPP pour 2020 pour ne pas s'engager plus fortement sur le timing. On ne leur en tiendra pas rigueur, il est assez rare que les fondeurs partagent publiquement, et avec tant de visibilité leur roadmap.

On pourra bien entendu s'interroger sur les nomenclatures choisies par Samsung, mais au-delà de cela, la tendance reste commune chez tous les fondeurs qui multiplient les variantes d'un même process. TSMC en est à sa quatrième version de "16nm", baptisée pour le coup 12FFC, tandis qu'Intel annonçait fin mars pour la première fois trois versions de 14nm et de 10nm.

Derrière ces annonces, on retrouve des constatations communes, il est de plus en plus difficile de réduire la taille des puces, et les gains de performances et de densités apportés ne sont plus forcément aussi importants qu'auparavant (même si les fondeurs, Intel en tête, continuent d'innover sur les formules mathématiques pour ne pas dire que la loi de Moore ralentit).

Le passage au 5nm chez tous les fondeurs est attendu autour de 2020 en production risque, même si chez Intel on parlerait logiquement de "7nm", cf cette roadmap basée sur des estimations publiées sur le blog SemiWiki 

Mais au-delà du marketing derrière les variantes, le rythme annoncé par Samsung reste assez soutenu laissant penser à un écart de deux ans entre le 7nm et le 5nm, ce qui est très agressif et aligné sur ce que devrait proposer TSMC (qui lancera son 7nm d'abord sans EUV, le 8LPP lui étant opposé par Samsung). TSMC a confirmé  qu'il lancera le début de sa production en 7nm ce trimestre (la production en volume est attendue l'année prochaine). Le 5nm démarrera ses essais de production en 2019 pour une production volume en 2020 chez le fondeur taiwanais.

La confiance de Samsung sur l'EUV est également un point que l'on ne négligera pas, la lithographie à immersion touche aujourd'hui ses limites et si les problèmes de l'EUV ne sont pas tous résolus, la technologie devrait donner un peu de marge aux fondeurs.

ASML a annoncé hier qu'il comptait s'offrir un quart de Carl Zeiss SMT  (24.9%) pour un montant de près de un milliard d'euros. Zeiss SMT est la filiale "Semiconductor Manufacturing Technology" du groupe allemand Zeiss spécialisé dans l'optique.

ASML indique dans son communiqué  qu'il s'agit de renforcer la collaboration entre les deux sociétés, Zeiss SMT fournissant les systèmes optiques utilisés notamment dans les machines de lithographie EUV.

ASML investira en prime 220 millions d'euros dans le centre de recherche et développement de Zeiss SMT, et financera 540 millions d'investissements sur les 6 prochaines années.

L'enjeu de l'investissement, selon ASML, concerne les futures générations d'EUV avec la possibilité d'étendre la durée de vie de la technologie. Car si certains fabricants de semiconducteurs comme Samsung disent désormais (enfin !) qu'ils utiliseront l'EUV à 7nm, les très nombreux retards de la technologie font qu'elle court le risque de voir sa fenêtre d'utilisation réduite, au risque d'être remplacée par d'autres technologies.

Des systèmes optiques plus complexes avec une ouverture numérique de 0.5 (contre 0.33 pour les premières générations d'EUV) est ce que vise ASML dans cet investissement, qui ne devrait porter ses fruits que d'ici 2024. Il permettrait cependant d'étendre la durée de vie de l'EUV sous les 5nm et pour "plusieurs générations". On sait - en parallèle - qu'autour de 5nm, on atteindra les limites du silicium et l'utilisation d'autres matériaux deviendra nécessaire.

L'intérêt de la lithographie EUV est pour rappel de remplacer la source lumineuse utilisée actuellement par les scanners (elle est générée par des lasers à exciplexe Argon/Fluor avec une longueur d'onde de 193nm) par une source dont la longueur d'onde n'est que de 13.5nm, améliorant fortement les possibilités et réduisant le nombre d'étapes nécessaires pour arriver a fabriquer les puces en évitant la généralisation du multi-patterning.

ASML aurait réitéré à nos confrères d'EEtimes  que quatre fabricants de puces, et deux fabricants de mémoires, se sont engagés à faire entrer l'EUV en production en 2018, quelque chose que la firme avait également indiqué dans une présentation aux investisseurs (qui évoquait 2018/2019). Une affirmation qui nous parait bien optimiste !

Aujourd'hui, seuls Samsung et GlobalFoundries se sont engagés publiquement à 7nm, pour des dates qui coïncident. En ce qui concerne TSMC, il faudra attendre le 5nm pour le voir arriver de manière extensive, sa production risque est prévue pour 2019 uniquement. Intel avait annoncé de son côté qu'il n'utiliserait pas l'EUV à 10nm, et qu'au mieux l'EUV était "une option" pour le 7nm. Le 7nm d'Intel utilisera une solution de lithographie a immersion classique. Et côté dates, 2019 semble extrêmement optimiste considérant l'exécution d'Intel ces dernières années (retards massifs sur le 14nm, introduction de Kaby Lake pour retarder le 10nm, lancement du 10nm repoussé à fin 2017 et uniquement sur des références mobiles, sans parler de l'introduction dans la roadmap de Coffee Lake en 2018... et en 14nm !).

En ce qui concerne les fabricants mémoire, Samsung avait évoqué la possibilité sans pour autant s'engager fermement. SK Hynix évoquait l'utilisation de l'EUV vers 2019.

Les machines qui seront utilisées en production, les NXE:3400B, atteindraient d'après ASML un débit de 125 wafers/heure, un progrès notable par rapport à mars 2015 ou ASML se félicitait de 42 wafers/heure (entre 50 et 100 wafers/heure étaient considérés comme le minimum pour éventuellement utiliser la technologie d'après Mark Bohr d'Intel). Pour arriver à ce chiffre, ASML devra augmenter fortement la puissance de la source lumineuse. Le constructeur aurait livré des sources 125W à ses clients cette année qui ont permis d'atteindre 85 wafers/heure.

La question de la disponibilité des machines semble également être meilleure, de seulement 55% à l'époque, ASML atteint aujourd'hui entre 70 et 80%, avec l'objectif d'être a 90% en 2018.

L'enthousiasme d'ASML - le seul à se lancer dans l'EUV - est forcément élevé pour sa technologie mais il faut une fois de plus rappeler que les scanners ne sont qu'une partie de la chaîne de fabrication. Les progrès réalisés, bien qu'importants, ne veulent pas dire que l'EUV est "prêt", loin de là.

La question des masques (la plaque transparente qui contient l'image de la puce à graver) et de l'inspection de leurs éventuels défauts n'a pas encore été résolue. Et si là aussi ASML tente d'apporter sa propre réponse, en pratique le problème reste complexe a solutionner avec des conséquences massives sur la viabilité de la technologie en production (plus de détails dans cet excellent article ).

Le site SemiWiki  nous rapporte quelques informations sur l'état de la fabrication EUV, en provenance de la conférence SPIE Advanced Lithography  qui se tient actuellement à San José.

Lors de la même conférence l'année dernière, les nouvelles étaient pour rappel plutôt bonnes (voir le lien pour un rappel complet sur la fabrication des processeurs et l'importance capitale de l'EUV !) et l'on espérait une introduction en cours de process pour le 10nm, et une introduction complète à 7nm. Malheureusement, on le rappelait en janvier, TSMC avait calmé les ardeurs en indiquant qu'il faudrait attendre le 5nm pour une éventuelle introduction de cette technologie.

SemiWiki confirme certains chiffres donnés lors de la dernière conférence aux investisseurs de TSMC, à savoir que la machine avait atteint sur une période de quatre semaines une production de 518 wafers/jour, un niveau encore largement insuffisant. Intel a partagé également quelques chiffres, un peu inférieurs à ceux de TSMC, à savoir entre 2000 et 3000 wafers par semaine (285-428 par jour).

On notera quand même que le taux de disponibilité des scanners de la société ASML a augmenté, passant de 55 à 70% chez TSMC (Intel rapportant une disponibilité identique) ! On notera que s'il est question d'une introduction en début de node à 5nm, TSMC laisse la porte ouverte pour le 7nm si jamais des progrès étaient effectués. Intel de son côté n'a pas donné d'information. Samsung envisagerait l'introduction à 7nm selon les présentations, sans plus de précisions.

Si la question de la disponibilité est importante, celle de la puissance de la source lumineuse l'est encore plus. Après avoir été limité à 40 watts l'année dernière, les machines actuellement en évaluation chez TSMC disposent désormais de sources 80 watts. C'est mieux, mais cela reste loin des 250 watts promis par ASML pour fin 2015. Les dernières prédictions sont désormais de 250 watts en 2016-2017, et au delà en 2018-2019, des plages particulièrement larges.

Atteindre les 250 watts de puissance permettrait d'augmenter significativement la cadence de production, atteignant 170 wafers/heure en théorie. ASML a effectué des démonstrations que TSMC et Intel semblent juger prometteuses de 185 et 200 watts. Reste à les voir en production, bien évidemment. Les challenges de cette technologie restent complexes et ne se limitent pas à ces deux points cruciaux, la question des défauts dans les masques est elle aussi importante même si là aussi TSMC et Intel ont visiblement noté quelques progrès. Vous pouvez retrouver plus de détails sur ces points dans l'article de SemiWiki .