Как отказ от 600-нм техпроцесса повлияет на устаревшие системы

Полупроводниковая промышленность находится на пороге значительного перехода, поскольку она отказывается от использования 600-нм пластин. Этот переход, вызванный прогрессом в технологиях и необходимостью более эффективных производственных процессов, будет иметь глубокие последствия для устаревших систем, зависящих от этих старых узлов.

В этой статье мы рассмотрим влияние отказа от использования 600-нм пластин, предоставим исторический обзор объемов пластин и обсудим более широкий контекст роста полупроводниковой промышленности. Мы также погрузимся в закон Мура, рассмотрим типы затронутых устаревших систем и выделим успешные примеры отказа от использования. Наконец, мы предложим чек-лист ключевых моментов для навигации в этом переходе.

Исторический обзор объемов 600-нм пластин

Чтобы понять влияние отказа от использования 600-нм пластин, необходимо взглянуть на исторические объемы этих пластин в полупроводниковой промышленности. Ниже приведенная диаграмма (рисунок 1) дает представление об объеме пластин 150 мм и ниже (включая 600-нм) в 2009 и 2024 годах, наряду с ростом полупроводниковой промышленности и объемами/стоимостью рынков 200мм и 300мм.

Глобальные объемы производства пластин с 2009 по 2024 год^{1, 2, 3}

На этой диаграмме наложенные области представляют различные объемы пластин. Аннотации показывают фактические объемы для каждого размера пластины в 2009 и 2024 годах в цветных секциях:

150 мм и меньше (включая 600 нм): 36 млн в 2009 г., 54 млн в 2024 г.; 200 мм: 90 млн в 2009 г., 126 млн в 2024 г.; 300 мм: 54 млн в 2009 г., 180 млн в 2024 г.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

Также аннотированы темпы роста: 150 мм и меньше (включая 600 нм): 50%; 200 мм: 40%; 300 мм: 233,33%.

1: https://semiconductorinsight.com/report/silicon-wafer-market/

2: https://www.databridgemarketresearch.com/whitepaper/rise-in-the-production-capacity-of-8-inch-third-generation-semiconductors-fabss

3: https://www.electronicspecifier.com/news/analysis/30-million-wafers-2024-s-semiconductor-peak

Рост полупроводниковой промышленности

За последние двадцать лет полупроводниковая промышленность пережила необычайное расширение. В 2000 году оценка отрасли составляла примерно 200 миллиардов долларов, а к 2020 году она выросла до более чем 500 миллиардов долларов. Этот рост был обусловлен увеличивающимся спросом на электронные устройства, прогрессом в технологиях и распространением таких приложений, как искусственный интеллект, Интернет вещей (IoT) и автономные транспортные средства.

Make cents of your BOM

Free supply chain insights delivered to your inbox

Learn More

Спрос на полупроводники был вызван быстрым принятием смартфонов, планшетов и другой потребительской электроники. По мере того как эти устройства становятся более интегрированными в повседневную жизнь, возрастает потребность в более мощных и эффективных полупроводниках. Кроме того, развитие облачных вычислений и данных центров дополнительно усилило спрос на высокопроизводительные чипы.

Автомобильная промышленность также сыграла значительную роль в росте рынка полупроводников. Современные автомобили оснащены множеством электронных систем, от систем помощи водителю (ADAS) до систем развлечения и связи. Переход к электромобилям (EV) и технологиям автономного вождения еще больше ускорил потребность в сложных полупроводниковых решениях.

Закон Мура и его применение

Гордон Мур представил Закон Мура в 1965 году, предсказывая, что количество транзисторов на микрочипе будет удваиваться каждые два года. Это предсказание привело к экспоненциальному росту вычислительной мощности и значительному снижению относительных затрат. Этот принцип десятилетиями двигал полупроводниковую промышленность вперёд, позволяя разрабатывать меньшие, более быстрые и эффективные чипы.

По мере уменьшения технологических узлов, отрасль сталкивается с физическими и экономическими вызовами. Переход с 600 нм на более мелкие узлы, такие как 200 мм и 300 мм пластины, является свидетельством способности отрасли к инновациям и адаптации. Однако этот сдвиг также означает, что старые узлы, такие как 600 нм, становятся экономически нежизнеспособными, что приводит к их постепенному выводу из эксплуатации.

Непрерывное уменьшение размеров полупроводниковой технологии привело к значительным достижениям в различных областях. Например, разработка меньших и более мощных чипов позволила создать компактные и энергоэффективные устройства, такие как носимая технология и портативное медицинское оборудование. Эти инновации оказали глубокое влияние на здравоохранение, позволяя проводить более точную диагностику и персонализированное лечение.

Кроме того, прогресс в области полупроводниковых технологий проложил путь для развития искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения. Увеличенная вычислительная мощность и эффективность современных чипов позволили разработать сложные алгоритмы ИИ, которые могут анализировать огромные объемы данных в реальном времени. Это привело к прорывам в таких областях, как обработка естественного языка, распознавание изображений и автономные системы.

Несмотря на вызовы, полупроводниковая промышленность продолжает сдвигать границы возможного. Исследователи и инженеры постоянно изучают новые материалы и технологии производства, чтобы преодолеть ограничения традиционной кремниевой технологии. Например, разработка технологий 3D-упаковки и передовых упаковочных технологий позволила создать чипы с более высокой производительностью и меньшим энергопотреблением.

Почему 600 нм заменяется

1. Повышение производительности и эффективности: Меньшие узлы позволяют упаковать больше транзисторов в ту же площадь чипа, значительно увеличивая производительность и энергоэффективность. Это критически важно для современных приложений, требующих высокой вычислительной мощности и низкого энергопотребления. Например, в области потребительской электроники устройства, такие как смартфоны и планшеты, требуют чипов, которые могут быстро справляться со сложными задачами, сохраняя при этом время работы от батареи. Меньшие узлы помогают достичь этого баланса, улучшая вычислительные возможности без пропорционального увеличения потребления энергии.
2. Экономическая эффективность: С развитием технологий стоимость на транзистор снижается. Это делает производство микросхем на более мелких узлах более экономически выгодным, несмотря на большие первоначальные инвестиции в новое производственное оборудование. Со временем начинают действовать экономии от масштаба, и экономия средств становится значительной. Эта экономическая эффективность особенно важна для производителей, которым необходимо оставаться конкурентоспособными на рынке, где цена и производительность являются ключевыми факторами. Первоначальные инвестиции в инновационные технологии производства окупаются по мере увеличения масштабов производства и снижения себестоимости единицы продукции.
3. Технологические достижения: Полупроводниковая промышленность постоянно инновирует, чтобы соответствовать закону Мура, который предсказывает удвоение числа транзисторов на микросхеме каждые два года. Это требует перехода на более мелкие узлы для поддержания темпов инноваций. Непрекращающееся стремление к миниатюризации привело к прорывам в техниках литографии, таких как литография с использованием экстремального ультрафиолета (EUV), которая позволяет точно формировать мелкие элементы на кремниевых пластинах. Эти достижения обеспечивают возможность индустрии продолжать поставлять более мощные и эффективные микросхемы с каждым новым поколением.
4. Спрос на рынке: Спрос на более мощные и эффективные электронные устройства, такие как смартфоны, ноутбуки и устройства IoT, требует использования передовых полупроводниковых технологий. Потребители ожидают, что каждое новое поколение устройств будет предлагать лучшую производительность, более длительное время работы от батареи и больше функций. Эти ожидания заставляют производителей принимать последние полупроводниковые технологии для удовлетворения спроса на рынке. Кроме того, появление новых приложений, таких как дополненная реальность (AR), виртуальная реальность (VR) и вычисления на краю сети, требует чипов, которые могут эффективно управлять интенсивными задачами обработки.

Что заменяет 600нм

Технически, процесс 600нм был уже "заменен" давно, но не выведен из эксплуатации, поскольку компоненты на основе этого процесса все еще востребованы и продолжали производиться. Но со временем стало ясно, что стремление к меньшим размерам элементов и меньшему энергопотреблению приводит процесс 600нм к концу его жизненного цикла.

1. 300-мм пластины: Размер пластины 200 мм стал стандартом индустрии в эпоху процесса 600 нм, но сегодня 300-мм пластины стали стандартом в индустрии благодаря их способности вмещать больше чипов на одну пластину, снижая производственные затраты и повышая эффективность. Переход к более крупным пластинам позволяет полупроводниковым фабрикам максимизировать их выход и улучшать показатели выхода годных. Этот сдвиг критически важен для удовлетворения растущего спроса на полупроводники в различных отраслях. Более крупные пластины также облегчают производство более сложных и высокопроизводительных чипов, которые необходимы для передовых приложений.
2. Передовые узлы (7 нм, 5 нм и далее): Эти узлы предлагают значительные улучшения в производительности, энергоэффективности и плотности чипов. Они необходимы для инновационных приложений, таких как искусственный интеллект, высокопроизводительные вычисления и передовые мобильные устройства. Переход к этим передовым узлам включает использование сложных производственных техник и материалов для достижения желаемого прироста производительности. Например, технология FinFET (транзистор с плавающим затвором) сыграла ключевую роль в возможности производства меньших и более эффективных транзисторов на этих передовых узлах.
3. Перспективные Материалы: Помимо кремния, изучаются такие материалы, как графен и алмаз, благодаря их выдающимся электрическим свойствам и потенциалу для дальнейшего миниатюризации и повышения производительности полупроводников. Графен, обладающий исключительной проводимостью и прочностью, представляет собой обещание создания более быстрых и эффективных транзисторов. Алмаз, известный своей отличной теплопроводностью, может быть использован для управления теплом в приложениях с высокой мощностью. Эти перспективные материалы представляют собой следующий рубеж в технологии полупроводников, предлагая потенциал преодоления ограничений традиционных кремниевых устройств и вступления в новую эру инноваций.

Переход от 600 нм к этим передовым технологиям обусловлен необходимостью лучшей производительности, эффективности и экономичности, обеспечивая продолжение инноваций в полупроводниковой промышленности и удовлетворение растущих требований современных технологий.

Типы устаревших систем, использующих 600 нм пластины

Устаревшие системы, использующие 600 нм пластины, обычно встречаются в отраслях, где важны длительный жизненный цикл продукта и надежность. К ним относятся:

Автомобильные системы: Многие автомобильные блоки управления и датчики до сих пор используют технологию 600 нм из-за их проверенной надежности и устойчивости в суровых условиях. Эти системы критически важны для безопасности и производительности транспортного средства, включая блоки управления двигателем (ECU), системы подушек безопасности и системы антиблокировки тормозов (ABS). Способность технологии 600 нм выдерживать экстремальные температуры, вибрации и другие сложные условия делает ее предпочтительным выбором для автомобильных приложений, где отказ недопустим.

Промышленное оборудование: Системы производства и промышленной автоматизации часто используют пластины 600 нм за их долговечность и долгосрочную доступность. К таким системам относятся программируемые логические контроллеры (PLC), приводы двигателей и контроллеры роботов, которые необходимы для бесперебойной работы заводов и производственных линий. Долговечность и надежность технологии 600 нм обеспечивают непрерывную работу этих систем с минимальными простоями, что критически важно для поддержания производительности и эффективности в промышленных условиях.

Медицинские устройства: Некоторые медицинские устройства, такие как диагностическое оборудование и системы мониторинга пациентов, зависят от технологии 600 нм из-за её стабильности и надежности. Устройства, такие как аппараты МРТ, компьютерные томографы и мониторы жизненно важных показателей, требуют исключительно надежных компонентов для обеспечения точной диагностики и безопасности пациентов. Использование пластин 600 нм в этих устройствах помогает поддерживать стабильную работу на протяжении длительных периодов, что жизненно важно в медицинских условиях, где точность и надежность критически важны.

Телекоммуникации: Старая телекоммуникационная инфраструктура, включая сетевые коммутаторы и маршрутизаторы, может все еще работать на пластинах 600 нм. Эти системы составляют основу коммуникационных сетей, обеспечивая передачу данных и связность на большие расстояния. Прочность технологии 600 нм гарантирует, что эти устаревшие системы могут продолжать эффективно функционировать, обеспечивая надежную службу даже при интеграции новых технологий в сеть.

Бытовая электроника: Некоторая устаревшая бытовая электроника, такая как старые игровые консоли и домашние приборы, продолжает использовать технологию 600 нм. Эти устройства, включая классические игровые системы, телевизоры и кухонные приборы, были разработаны с использованием пластин 600 нм для обеспечения долговечной работы. Прочность технологии 600 нм означает, что эти продукты все еще могут использоваться и приносить удовольствие потребителям много лет после их первоначального выпуска, подчеркивая долговечную ценность этой технологии в повседневной жизни.

Успешные примеры вывода из эксплуатации

Индустрия полупроводников успешно справлялась с постепенным исключением устаревших технологий в прошлом. Вот несколько заметных примеров:

1. Переход с 150мм на 200мм пластины: В 1990-х годах индустрия перешла с 150мм на 200мм пластины, что было обусловлено необходимостью повышения эффективности и снижения затрат. Этот переход был осуществлен благодаря стратегическому планированию, инвестициям в новые производственные мощности и сотрудничеству с поставщиками оборудования. Компании, такие как Intel и Texas Instruments, сыграли ключевую роль в этом переходе. Intel, известный своими инновациями в производстве полупроводников, вложил значительные средства в модернизацию своих заводов для работы с более крупным размером пластин. Это позволило увеличить производственные мощности и снизить стоимость на чип, что было критически важно для поддержания конкурентоспособности на быстрорастущем рынке.
2. Переход с 200-мм на 300-мм пластины: Начало 2000-х годов ознаменовалось переходом с 200-мм на 300-мм пластины, что предложило значительные преимущества в стоимости благодаря увеличенному размеру пластины. Этот переход был облегчен благодаря прогрессу в литографии и технологии процессов. Компании, такие как TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) и Samsung, были в авангарде этого перехода. TSMC, например, инвестировала в передовое оборудование для литографии и технологии процессов, чтобы обеспечить плавный переход на 300-мм пластины. Этот сдвиг не только улучшил эффективность производства, но и позволил компании удовлетворить растущий спрос на высокопроизводительные чипы, используемые в различных приложениях, от потребительской электроники до центров обработки данных.
3. Отказ от свинцового припоя: Промышленность успешно отказалась от свинцового припоя в пользу безсвинцовых альтернатив, чтобы соответствовать экологическим нормам. Этот переход потребовал обширных исследований и разработок, а также изменений в производственных процессах. Компании, такие как IBM и Hewlett-Packard (HP), играли ключевую роль в этом сдвиге. IBM, например, провела обширные исследования для разработки надежных безсвинцовых материалов для припоя, которые соответствовали строгим требованиям к производительности электронных устройств. HP, с другой стороны, реорганизовала свои производственные процессы для использования новых материалов, обеспечивая, чтобы их продукция оставалась в соответствии с экологическими стандартами, сохраняя при этом высокое качество и надежность.

Чек-лист: Основные моменты для успешного перехода с 600нм технологии

• Оценка влияния на устаревшие системы: Определите, какие из ваших систем зависят от 600нм пластин и оцените потенциальное влияние их исключения. Это включает в себя проведение тщательного учета всего оборудования и компонентов, использующих 600нм технологию. Понимание степени зависимости от этих пластин поможет определить системы, требующие немедленного внимания. Кроме того, оцените операционные и финансовые последствия перехода от 600нм пластин, включая потенциальные простои, проблемы совместимости и стоимость замены частей.
• Планирование перехода: Разработайте стратегический план перехода на более новые узлы, включая графики, бюджет и распределение ресурсов. В этом плане должны быть изложены шаги, необходимые для постепенного отказа от 600нм пластин и перехода на более новые технологии. Установите реалистичные сроки для каждого этапа перехода, убедившись, что критически важные системы обновляются в первую очередь. Выделите бюджет, который покрывает стоимость нового оборудования, обучение персонала и любые потенциальные нарушения в операциях. Распределение ресурсов также должно учитывать необходимость в дополнительном персонале или внешних консультантах для поддержки процесса перехода.
• Сотрудничество с поставщиками: Тесно работайте с вашими поставщиками, чтобы обеспечить плавный переход и получить необходимые компоненты и поддержку. Ведите открытое общение с поставщиками, чтобы понять их графики постепенного отказа от 600-нм пластин и их планы по поддержке новых технологий. Заключайте соглашения, которые гарантируют наличие запасных частей и техническую поддержку в период перехода. Сотрудничество с поставщиками также может предоставить информацию о лучших практиках и потенциальных проблемах, помогая снизить риски, связанные с постепенным отказом от использования.
• Инвестиции в НИОКР: Выделите ресурсы на научные исследования и разработки, чтобы инновировать и адаптировать ваши продукты к новым технологиям. Инвестиции в НИОКР критически важны для поддержания конкурентоспособности и обеспечения соответствия ваших продуктов эволюционирующим требованиям рынка. Сосредоточьтесь на разработке инновационных дизайнов и процессов, которые используют преимущества меньших узлов, таких как улучшенная производительность и энергоэффективность. Усилия в области НИОКР также должны исследовать альтернативные материалы и технологии, которые могут предложить дополнительные улучшения. Отдавая приоритет инновациям, вы можете создавать продукты, которые не только заменяют те, что используют 600-нм пластины, но и предлагают превосходную функциональность.
• Общение со стейкхолдерами: Держите всех заинтересованных сторон в курсе планов по выводу из эксплуатации и хода выполнения, чтобы обеспечить их согласие и поддержку. Эффективное общение является ключом к гладкому управлению переходом. Регулярно информируйте внутренние команды, клиентов и партнеров о статусе вывода из эксплуатации и шагах, предпринимаемых для минимизации возможных перебоев. Предоставляйте четкие временные рамки и ожидания и оперативно решайте любые вопросы или проблемы. Прозрачное общение помогает налаживать доверие и гарантирует, что все участники находятся на одной странице, что облегчает более координированный и эффективный процесс перехода.

Заключение

Вывод из эксплуатации 600-нм пластин является значительным этапом в эволюции полупроводниковой промышленности. Хотя это представляет собой вызовы для устаревших систем, это также предлагает возможности для инноваций и роста. Понимая исторический контекст, используя выводы из закона Мура и учась на прошлых выводах из эксплуатации, компании могут эффективно пройти этот переход и продолжать процветать в постоянно развивающемся технологическом ландшафте.