ARMとTSMCは本日、7nm FinFETを搭載したチップの実現に向けて協力することを発表しました。これは、16nmおよび10nm FinFETの開発に続くものです。
台湾に拠点を置くTSMCは、自らを「世界最大の専用半導体ファウンドリー」と称し、NVIDIA、AMD、Qualcomm、Apple、Marvell、Broadcomといった企業向けにチップを大量生産しています。これは、携帯電話やその他の携帯機器向けの膨大な量のシリコンであり、その大半はARM設計のプロセッサコアを採用しています。
TSMC と ARM はモバイルチップ事業に全力を注いでいると言っても過言ではないでしょう。
しかし、携帯電話の世界だけでは十分ではありません。発表によると、両社は将来の7nm部品を「モバイルの域を超え、次世代ネットワークやデータセンター」へと押し上げたいと考えています。彼らは、私たち皆が長年待ち望んでいた「低消費電力で高性能なコンピューティングシステムオンチップ」にも目を向けています。
ARMがプロセッサコアを設計し、企業がその設計図のライセンスを取得して自社アプリケーション向けにカスタマイズし、TSMCなどの企業がシステムオンチップを製造するということを忘れないでください。ARMとTSMCの提携は、ARMが突然完全なコンポーネントを設計することを意味するわけではありません。ARMが7nmプロセスに向けた計画を準備し、購入者にとってより魅力的なものにしようとしていることを意味します。
この謙虚なハッカーよりも賢い人々によると、TSMC は、かつては半導体業界の救世主として歓迎されたものの、設計段階からほとんど経たないうちに頓挫してしまった EUV ではなく、7nm のマルチパターニング リソグラフィーを使用する可能性が高いとのことです。
現在、半導体メーカーは、大型の設計マスク、レンズ、そして液体（通常は精製水）を通して、フォトレジストを塗布したシリコンウエハーに193nmの紫外線を照射しています。これは液浸リソグラフィーと呼ばれています。紫外線レーザーは、マスクの隙間を通過したフォトレジストの領域を変化させ、露出したフォトレジスト部分を剥離します。これにより下層のシリコンが露出し、そこにエッチングを施したり、新しい材料を積層したりできるようになります。このプロセスを様々なマスクパターンで何度も繰り返すことで、微細な電子回路が丹念に作られます。
193nmの紫外線光を使って22nm以下のトランジスタゲートを製造するのは、物理特性と材料特性のせいで非常に困難です。7nmは言うまでもなく、非常に難しいです。EUVはこの作業を大幅に簡素化するはずでしたが、裏方で開発に携わる技術者たちは、それを確実に動作させることができていません。
TSMCは2017年まで7nmプロセスノードのチップをまともな数量生産開始しないと予想されています。このサイズは、現在のプロセッサに使用されている14nmトランジスタをはるかに下回ります。実際、TSMCはまだ10nm部品の生産を開始していません。10nmは今年後半に登場する予定です。10nmはTSMCにとって7nmへの足がかりとなることが期待されています。TSMCの工場が10nmを実現できれば、7nmもすぐに続くでしょう。
2015年7月、IBMは7nmトランジスタゲートを開発したと息を切らして宣言しましたが、それは実験室レベルでの成果でした。半導体業界の巨人であるIntelは、2017年後半に初めて10nmノードのプロセッサを生産すると発表しました。
競争はまだ続いている。Intelの10nmプロセスか、TSMCの7nmプロセスか、どちらが先に出てくるのだろうか？この競争は重要な意味を持つ。なぜなら、一般的に、チップ上のトランジスタゲートを小さくすればするほど、チップの効率は高まるからだ。電力効率はますます重要になっている。スマートフォンのバッテリーは充電の合間に長持ちさせたいし、データセンターの電力消費量は小さな町よりも抑えたい。そのためには、プロセッサは与えられた電力でより効率的に動作しなければならない。
エレクトロニクス101
CPU 内のトランジスタには、次の 2 つのことが求められます。オンとオフを素早く切り替えて情報を素早く処理すること、そして、オフのときに電流が漏れないようにして不必要な電力を消費しないことです。
電子工学に詳しくない方は、トランジスタのゲートを押しボタンスイッチと考えてみてください。スイッチにはソースとドレインの2つの側面があります。上部にはゲートと呼ばれるボタンがあり、これを押すと電子がスイッチを通ってソースからドレインへ流れ、次のトランジスタへと送られます。
適切に配置されたソース...MOSFETゲート（ソース）の図
これらを何百万個も配線すれば、オンとオフの状態（2進法の1と0）のシーケンスを有用な情報に変換する複雑な意思決定回路を構築できます。以下は、一般的なMOSFETの簡略化された3Dモデルです。
ソースからドレインへ...通常のトランジスタゲートのスイッチオン時の電子の流れ（ソース）
スイッチのオンとオフを素早く切り替えたい場合は、ゲートのプッシュボタンの感度を高くする必要があります。錆びてガタガタした機構を無理やり押し込むのではなく、軽く触れるだけで状態が切り替わるようにする必要があります。もちろん、ボタンの感度が高すぎると、次の操作を期待して指をボタンの上に置くだけでスイッチが作動してしまいます。
簡単に言えば、トランジスタゲートにも同じことが当てはまります。ソースとゲート間の電圧が閾値を超えると、トランジスタは導通状態になり、オンになります。この閾値が低すぎると、トランジスタは導通状態ではなくオフにすべき時にも電流をリークし、電力を無駄に消費してしまいます。閾値が高すぎると、導通状態からオン状態に切り替わるまでに時間がかかりすぎます。
より小型のトランジスタを使用すると、ゲートチャネルが小さくなりスイッチング時間が短縮されるため、より低い閾値電圧が必要になります。閾値電圧が低いほど、チップに必要な電源電圧も低くなり、動的消費電力、つまりゲートがアクティブなときに消費される電力量が低下します。
ただし、しきい値が低いということは、トランジスタ ゲートがオフの場合でも大量の電流が漏れる可能性が高く、バッテリーが消耗して過剰な熱が発生することを意味します。
トランジスタが微細化するにつれて、特に10nm以下のサイズでは、このリーク電流の問題はますます深刻化しています。解決策の一つとして、ここ数年主流となっているFinFET設計が挙げられます。FinFETは、ソースとドレインを薄いフィン状のチャネルに持ち上げ、その周囲をゲートで包み込む構造です。これによりデバイスの重要な部分が包み込まれ、オフ状態でのリーク電流が抑制されるだけでなく、ゲート動作の制御性も向上します。つまり、低い閾値電圧で電力効率が向上し、チップの動作速度も向上するのです。まさにビンゴ！
おしゃれなFinFET…電子がソースからドレインへ流れる
これは、FinFETの基礎ガイドであり、22nm以下のプロセスにおいてFinFETが不可欠である理由を解説しています。FinFETの利点については、こちらをご覧ください。本日のニュースは、カリフォルニア州サンノゼで開催されるTSMCテクノロジーシンポジウムに合わせて配信されます。®
