GF công bố công nghệ bán dẫn 14 nm, thương mại hoá kỹ thuật FinFET

Nếu nhắc đến CPU trong hôm nay, chúng ta không khỏi không đề cập tới các chip Ivy Bridge (IvB) 22 nm của Intel. Dòng chip này được xây dựng trên một công nghệ bán dẫn có thể xem là khác biệt nhất so với các tiến trình trước đấy - kỹ thuật FinFET mà hãng này tự PR dưới cái tên 3-D transistor (trans). Vài ngày trước đây, một cái tên đáng chú ý khác trong làng bán dẫn cũng công bố về công nghệ FinFET của riêng mình - Global Foundries (GF). Nhưng khác với Intel, tiến trình bán dẫn đầu tiên áp dụng FinFET là tiến trình 14 nm.

Thuật ngữ FinFET nhằm ám chỉ các trans hiệu ứng trường (FET) có cấu tạo giống như những chiếc vảy (fin). Cấu tạo này khác biệt với các trans phẳng (planar) truyền thống vốn có các thành phần cơ bản: cổng (gate - G), máng (drain - D), nguồn (source - S), kênh (channel - C) chia sẻ chung một mặt phẳng (không gian) nằm ngang. Còn trên FinFET, ba thành phần máng, nguồn và kênh bị "xoay" 90 độ so với chiếc cổng nằm trên chúng. Nếu lấy cổng làm "xương sống" thì hai cực nguồn và máng ở hai bên "xoè ra" tạo cảm giác như hai chiếc vảy (fin).

Lợi ích của việc chuyển từ planar sang FinFET là kích thước trans được giảm đáng kể (bằng cách "dựng đứng" các thành phần cơ bản "lên", hình dung như một toà nhà cao tầng với cùng diện tích mặt bằng có thể chứa được nhiều người hơn nhà chỉ có một tầng) nhưng các lợi ích về mạch điện vẫn được giữ nguyên. Song làm ra FinFET không đơn giản vì ở planar trans hầu như các kỹ sư chỉ phải quan tâm vấn đề chiều dài cổng (Lg), nay họ phải chú ý thêm độ dày (W) lẫn chiều cao (H) của máng và nguồn, khiến cho việc sản xuất khó khăn hơn.

Lý do chính để chuyển qua FinFET là khi các planar trans không đáp ứng được các yêu cầu về mạch điện nữa (xảy ra hiện tượng "đánh thủng" điện môi do kích thước quá bé). Với Intel, hãng này cho rằng chuyển qua FinFET từ 22nm là phù hợp. Với một số hãng khác, 20nm hay 14 nm mới là lúc họ thấy cần thiết.

Với FinFET, trans không chỉ nhỏ hơn, chúng còn dùng ít điện hơn các thiết kế planar, kể cả ở cùng node bán dẫn. Đặc điểm này có được nhờ hiệu ứng trường trên FinFET thể hiện mạnh hơn (do cổng bao bọc kênh dẫn "dày" hơn) nên các kỹ sư có thể chỉ dùng một điện áp thấp hơn so với planar (cổng chỉ bọc ở mặt trên kênh dẫn) mà vẫn đạt được dòng qua kênh dẫn mạnh tương đương (hoặc dòng cao hơn với cùng mức điện áp). Điện áp đầu vào thấp hơn đồng nghĩa với tiết kiệm điện hơn vì tỷ lệ rò rỉ điện năng cũng thấp hơn (chênh lệch điện thế càng cao thì càng dễ phát sinh dòng rò).

Quay lại với node 14 nm của GF, bên cạnh thiết kế FinFET, hãng này còn áp dụng cả kỹ thuật HKMG vốn tăng cường đáng kể năng lực tiết kiệm điện. HKMG về căn bản là một lớp vật liệu có kháng trở cao (high-K) nằm giữa cổng và kênh dẫn. Với lớp vật liệu poly SiON truyền thống (có hệ số điện trở thấp hơn), theo thời gian hoạt động, lớp SiON bị ăn mòn điện hoá và đến lúc, nó có thể bị "đánh thủng" do chênh lệch áp giữa cổng và kênh dẫn. Do các trans ngày càng nhỏ hơn, lớp SiON này cũng phải mỏng đi và đến mức nào đó, nó cũng bị "đánh thủng" như trường hợp trên.

Thực ra bị "đánh thủng" không phải vấn đề chính với lớp điện môi này. Mà vấn đề ở chỗ nó sẽ bị hao mòn đi và gây thất thoát điện năng ra các vật liệu nằm quanh trans. Việc này khiến cho điện áp cổng bị giảm và từ đấy hiệu ứng trường không còn mạnh như trước, dẫn tới cường độ dòng qua kênh dẫn bị giảm đi và gây ảnh hưởng tới "chất lượng" tín hiệu chạy trên mạch điện. Do vậy Intel đã đề ra HKMG như là một giải pháp để hạn chế tình trạng rò rỉ điện khi lớp poly SiON truyền thống không còn đáp ứng tốt các yêu cầu về mạch điện.

Cũng vì đặc trưng này, GF gọi tiến trình 14 nm mới của mình là 14XM (eXtreme Mobility) vì các khả năng tiết kiệm điện đáng kể của nó (vừa HKMG, vừa FinFET).

Tạm gác các vấn đề kỹ thuật "hàn lâm" sang một bên, hãy bàn một chút về lý do công bố của GF. Suy cho cùng, chuyển xuống 14 nm là việc tất nhiên sẽ diễn ra. Vấn đề cốt yếu là khi nào và ai là người tiên phong?

Ở đây không xét tới Intel vì công nghệ FinFET của hãng này hiện chỉ áp dụng cho các con chip của riêng họ. Việc Intel có tham gia thị trường gia công bán dẫn hay không vẫn còn khá mù mờ. Điểm đáng lưu tâm với GF là hãng này là một đơn vị gia công bán dẫn, cạnh tranh trực tiếp với TSMC, UMC và Samsung. Do vậy nếu GF tiên phong ở node 14 nm, hãng này sẽ có một ảnh hưởng lớn trên thị trường công nghệ vì đa số các nhà sản xuất chip của thế giới đều thuê công ty khác gia công giùm (Apple thuê Samsung, NVIDIA thuê TSMC, AMD thuê GF...).

Song với 14XM, có một chi tiết đặc biệt: nó không phải 14 nm "thuần" mà là sự kết hợp giữa các trans 14 nm FinFET và công nghệ 20LPM hiện có của GF. Nên nói thêm rằng thực tế GF cũng đầu tư không ít cho tiến trình 20 nm, đặc biệt là phiên bản 20LPM vốn được tối ưu cho các thiết bị di động. Nhưng theo lộ trình mới đây nhất của hãng này thì GF chỉ khai thác dây chuyền 20 nm có duy nhất một năm (2013). Trong khi đó một hãng bán dẫn thường khai thác một node trong ít nhất hai năm (một phần để hoàn thiện thiết kế, phần khác để hoàn vốn R&D). Nếu chỉ dùng 20 nm trong một năm duy nhất, lỗ là điều khó tránh với GF.

Do vậy mà hãng này đã "chơi chiêu" bằng cách áp dụng một phần các công nghệ dành cho 20LPM xuống 14 nm. Ở chi tiết này bạn đừng vội chê bai, vì thực sự phát triển ra một tiến trình tối ưu cho một ứng dụng nào đó không đơn giản. Không có gì đảm bảo nghiên cứu ra 14LPM có thể sẽ đem lại lợi ích rõ rệt so với 20LPM. Bên cạnh đó node 20 nm của GF chỉ vừa mới ra mắt, các khách hàng của GF cần có thời gian để "làm quen" với kỹ thuật sản xuất mới này, Nếu qua 2014 mà GF có 14LPM thì đây là điều thực sự "khó" cho bạn hàng của GF vì họ phải "ngâm cứu" lại từ đầu. Đưa 20LPM xuống 14 nm chính là mà GF vừa muốn triển khai cái mới, vừa muốn tận dụng lại cái "vừa hết mới".

Cũng cần nói thêm rằng không phải con chip này cũng 100% chỉ dùng duy nhất một tiến trình. Trong vài tình huống kỹ sư có thể sẽ dùng lại node cũ vì nó đem hiệu quả tốt hơn so với áp dụng node mới vào đấy. Các tế bào SRAM và cổng logic của Intel là một ví dụ cho khác biệt node trên cùng con chip.

Có thể xem 14XM của GF là một điểm quan trọng cho công nghiệp bán dẫn. Vì thực tế số hãng có khả năng gia công ở công nghệ mới nhất và sản lượng lớn như GF không nhiều. Chỉ một vài cái tên như TSMC, UMC và Samsung là thực sự "cùng đẳng cấp" với GF. Một điểm chủ chốt ở đây: GF và Samsung cùng với IBM cùng thuộc một CLB bán dẫn có tên Fishkill. CLB này còn có thêm một vài hãng quan trọng khác như ARM, ST. Theo mô tả của GF, hãng này đã ký kết một thoả thuận làm ăn lâu dài với ARM, nhằm tối ưu dây chuyền sản xuất của mình cho các thiết kế ARM mới. Có được mối quan hệ hợp tác chặt chẽ này, những hãng thiết kế chip ARM khác đều có tiềm năng trở thành khách hàng cho GF.

Điểm cốt yếu khác nữa là liên minh Fishkill chia sẻ chung các công nghệ bán dẫn. Nếu một ai đó là khách hàng của GF, họ có thể chuyển thiết kế của mình cho Samsung "làm phụ" làm tăng sản lượng chip. Ngược lại, khách hàng của Samsung cũng có thể tìm tới GF. Còn các đối thủ khác như UMC, TSMC, dây chuyền của họ khác với GF, Samsung. Nên một bạn hàng của GF hoặc Samsung sẽ cần tốn nhiều thời gian để chỉnh sửa lại bản thiết kế nếu họ muốn quay sang thuê TSMC gia công chip.

Dù sao, những gì GF vừa mới công bố chỉ mới xuất hiện trên giấy. Hãy còn nhiều tháng trước khi con chip 14 nm đầu tiên xuất hiện. Chưa rõ liệu Intel, GF hay TSMC mới là kẻ tiên phong thật sự trong cuộc đua bán dẫn này. Hãy thử chờ xem trong vài ngày tới, phía TSMC có phản đòn gì trước công bố đầy bất ngờ của GF.