インテルのビデオで10nmプロセッサの製造方法を紹介

インテルは、チップの設計と製造プロセスに関する 2 本のビデオを公開しました。これらのビデオでは、同社の生産プロセスだけでなく、問題となっている 10nm プロセスについても、めったにない形で垣間見ることができます。

プロセッサ設計の世界は技術的な課題に満ちており、設計サイクルの長さは問題です。設計段階から最終的な製造までに最大 4 年かかることもあります。あるエンジニアがかつて冗談で言ったように、チップの設計はロシアンルーレットをしていて、頭が吹き飛ぶかどうかを 4 年間待つようなものです。しかし、Intel が 10nm プロセスで大胆な目標を掲げて突き進むのを止めることはできませんでした。Intel は 10nm 設計を開始したときに大きな賭けをし、標準的な世代対世代の密度の 2 倍を避けて、2.7 倍の密度増加を目指しました。同社は後に、この目標が 10nm で苦戦した主な理由であると述べ、主に密度の目標には遅延の一因となったいくつかの新しいテクノロジーが必要だったと述べています。以下のビデオでは、潜在的な失敗のいくつかを見ることができます。 

この動画では「砂からシリコンまで」の製造工程を網羅しており、その全てが一見の価値がありますが、Intelのトランジスタ技術への深掘りは動画の約1:50から始まります。ここでIntelはFinFETトランジスタ技術の詳細を解説し、1つのトランジスタを製造するのに必要な驚くべき工程数（1000以上）を概説しています。しかし、これらのフォトリソグラフィー、エッチング、堆積などの工程は、それぞれ数十億個のトランジスタが集積された複数のダイを含むウェハ全体に適用されます。

インテルは動画の3:10で、コンタクト・オーバー・アクティブ・ゲート（COAG）技術の詳細を説明しています。この技術は、インテルがこれまで行ってきたようにトランジスタの端からコンタクト部分を延長するのではなく、ゲート上にトランジスタのコンタクト部分を構築します。これにより、トランジスタが占める全体的な面積が削減され、密度が向上します（詳細はWikiChipをご覧ください）。インテルは、10nmプロセスの最新バージョンからCOAG機能を変更、あるいは削除した（可能性は低い）と噂されています。この設計部分は重要で、14nmプロセスでは毎秒50億サイクルを超える速度でオン/オフを切り替えるトランジスタの性能を左右しますが、10nmプロセスではその速度が大幅に低下します。

この動画では、チップ上に存在する目もくらむほど複雑な相互接続網も垣間見ることができます。これらの極小ワイヤは、驚くほど小さなトランジスタを接続して通信を容易にし、複雑な3Dクラスターに積み重ねられています。しかし、これらの極小ワイヤはわずか原子の厚さしかない場合があり、故障を誘発するエレクトロマイグレーションにつながる可能性があります。トランジスタが小さくなるほどワイヤは細くなりますが、それによって抵抗も増加し、信号を駆動するためにより多くの電流が必要になり、事態を複雑にします。この課題に対処するため、Intelは銅ワイヤからコバルトに切り替えました。Intelは、この素材をより細いワイヤ（抵抗率は高いものの）に使用しました。これは、各ワイヤに巻く絶縁材の量がそれほど必要ないためです。ただし、同社は3D相互接続網の最下層でのみコバルトを使用しています。しかし、コバルトへの切り替えは、Intelの問題の根源にあると噂されているもう1つの課題です。 

インテルは、具体的な問題に対処するため10nmプロセスを大幅に見直したと明らかにしたが、その変更の全容はおそらく永遠にわからないだろう。しかし、結局のところ、経済的な生産こそが真の成功の尺度であり、それは多くの場合、歩留まり率（つまり、1枚のウェーハあたりに何個の機能チップが収穫されるか）によって測られる。インテルはこの分野で苦戦しており、自社の予測でさえ、2021年まではプロセスノードで同等の水準に到達できないと見込まれている。その間、同社はEMIBやFoverosといった、プロセスリーダーシップに完全に依存しない新技術に目を向けており、新しいチップレットベースのアーキテクチャを採用する計画だ。また、インテルは、将来の潜在的な失敗による打撃を緩和するため、ノード間でアーキテクチャを移植可能にするための取り組みを継続すると予想される。 

しかし、インテルの最大のライバルであるAMDも、自社のチップレットベースのアーキテクチャを拡張するために次世代パッケージングとファブリックに注力しているため、競争は激化するでしょう。一方、複数のARMベースのサーバーチップがTSMCのノードの恩恵を受けているため、利益率のさらなる低下が懸念されており、インテルがIce Lakeチップを2020年下半期にリリースするスケジュールを順守できるかどうかが極めて重要になっています。 

プロセッサ設計の世界は技術的課題の宝庫ですが、チップの複雑さはまさに現代の驚異と言えるでしょう。TSMCの7nmプロセスノードをはじめとする、他の最新プロセスノードの内部動作を詳細に解説した動画をぜひ見てみたいものです。 

待っている間に、Intelはチップ製造に関する別のビデオも公開しました。これは明らかにより基本的な内容で、一般ユーザー向けのものとなっています。以下でご覧ください。