[분석정보] 반도체 공정 한눈에 알기 인텔의 14nm가 늦는 이유

먼저 앞서 2013 년 11 월 인텔이 개최 한 투자자 설명회의 자료를 바탕으로 인텔의 14nm 이후의 과정과 이에 관련된 사업 얘기를 해설해 나가자.

Atom의 로드맵. 차기 프로세서는 14nm 공정으로 제조

양산이 약 3개월 지연 14nm 공정의 동향

　원래 작년 10월에 열린 2013년 3분기 결산보고에서 회사 CEO 인 Brian Krzanich 씨가 14nm 공정의 양산을 1분기 지연을 발표하고 있다.

　본래라면 2013년 말에는 이 14nm 공정을 사용하여 제조가 시작되려던 것이 2014년 3월 쯤에서 성장하는 셈이다. 이것은 14nm 공정을 이용해 제조한 제품이 파운드리에서 나오는 것은 빠르면 5월말 실제로는 6월에 들어가고 나서가 될 것으로 보인다.

　이 14nm 지연에 관한 정보가 회사의 William Holt 씨 (Exective Vice President & General Manager, Technology and Manufactureing Group)의 설명이 있었다.

14nm 와 22nm 비교. 오른쪽은 트랜지스터의 성능을 언급한 부분으로,

 이쪽은 순조롭게 개선할 수 있다는 것을 보여주고 있다

　14nm의 상태를 22nm의 경우와 비교한 것이 위의 사진이다. 이미지의 크기가 축소되어 잘 보이지 않으니 오른쪽을 제외한 3 개에 각각 크게 보자.

　아래의 이미지는 수율 (Yield)의 비교이다. 22nm 내용은 현재가 아닌 2년 전 상태를 기준으로 한 결과이지만, 이것과 비교하면 14nm 다소 상승이 주춤거리는 것을 알 수 있다.

수율 (Yield) 비교. 세로축이 수율, 가로축은 기간,

세로축로 밑줄이 들어있는 것에서도 알 수 있듯이 구체적인 값은 공개되지 않는다

　인텔의 추정에 따르면 2014년 1월에는 22nm 상응하는 비율이 달성 될 수 있다는 전망이지만, 실제로는 2013년 6 ~ 8 월은 많이 시달린 모습이 엿 보이고 있으며, 10 월도 여러가지 힘든 상태인 것 같아 이대로 예상대로 2014 년 1 월에 22nm 상응하는 수율을 달성 할 수 있는지 좀 더 많은 정보가 필요하다.

　아래 이미지는 22nm 공정과 14nm 공정 모두를 사용해 제조한 웨이퍼의 물리적 특징을 비교한 것이다. 예를 들어 어떤 전압 · 온도에서 어떤 전압을 가하면 전류는 어떻게 될까 그 때의 지연은 어느 정도인가 등의 목표 매개 변수가 어떤 공정도 설계 단계에서 결정되며, 그 수는 수백에서 수천이다.

물리적인 특징을 비교한 것이다. 세로축은 목표를 충족하는 매개 변수의 수, 가로축은 주 단위 기간이다. 일반적으로 웨이퍼의 제조에서 "2013년 25 주에 생산"과 같이 매주되기 때문에, 가로축은 Weeks 이다

　공정 개발 단계에서 시험에 사용된 웨이퍼에 대해 이러한 매개 변수를 모두 측정하고 목표에 맞는 결과가 나와 있는지 확인하는 것이지만 위의 이미지는 이것을 나타낸 것이다. 14nm 공정의 매개 변수 개선은 22nm 때와 거의 같은 상태로 진행​​되고 있다고한다.

　마지막 신뢰성에 관한 것으로, 22nm 역시 2년 전 상황을 나타낸 것이다. 다음과 같이 거의 22nm와 동등한 수준을 달성 할 수 있다고 한다.

Test Vehicle 이라고 하는 것은, 그 웨이퍼를 검증하기 위해 제공하는 플랫폼 이라고 말하면 좋을까? 이를테면 테스트 환경이다

트랜지스터 및 내부 배선의 신뢰성 : 22nm 거의 문제 없었지만, 14nm에서는 아직 일부 개선 필요

열 · 기계적 안정성 및 습도 대책 : 22nm에서는 심각한 문제 였지만, 14nm에서는 거의 문제 없음

테스트 용 제품의 신뢰성 : 22nm에서는 다소 개선의 필요가 있었지만, 14nm에서는 상당히 개선 필요

정전기 방전 / 래치 업에 대한 신뢰성 : 22nm/14nm 함께 거의 문제 없음

　인텔은 지금까지 발표되지 않은 공정에 대해 자세히 여기까지 공개하는 것은 없었다. 물론 IEDM (IEEE International Electron Devices Meeting : 반도체 소자에 관한 국제 학회), 연구자 수준에서 발표하는 것은 복잡하게 있었지만, 양산 공정에 대해서는 완성 후 신고하는 것이 대부분 이었다.

　그것이 이번 밀린 14nm 공정의 동향을 설명한 것으로 후술하는 파운드리 서비스에의 배려일 것이다 라고 생각된다. 그 파운드리 서비스 이야기는 뒷전으로 하고, 우선 성능의 얘기.

소비 전력이 낮아 성능이 향상하는 공정의 미세화는 좋은 것

　아래의 이미지가 전체를 정리한 것으로, 트랜지스터 비용은 꾸준히 감소 기능 당 소비 전력도 감소하며 성능은 향상시킨다 나와있다. 왼쪽은 트랜지스터 1 개당 비용을 65nm 공정을 1로했을 경우로 환산한 것.

14nm와 22nm의 성능 비교. 여전히 무어의 법칙이 살아 있다 인텔은 주장하고 있다

　세로축은 로그이므로, 14nm 세대에서 0.2 위가된다. 오른쪽은 기능 (예를 들면 1 개의 게이트) 당 소비 전력, 이것은 45nm 세대를 1로하면, 14nm 세대로는 0.1 근처까지 떨어진다.

　아래의 두 그래프는 22nm 세대와 14nm 세대를 비교하면 동작 주파수가 같으면 동적 소비 전력이 67% 감소 (왼쪽), 동적 전력 소비가 같으면 속도가 40% 향상 (오른쪽 아래) 되고 있다.

　또한 다이 면적을 비교했을 경우, TSMC 등 경쟁 업체는 20nm 세대와 16nm/14nm 세대 밀도를 올리지 못한 반면, 인텔은 계속해서 밀도를 올린다 주장하고 있다.

세로축은 상대 트랜지스터 1 개당 면적을 로그 표시하고 있는 것으로 보인다. 단지 절대적인 트랜지스터의 크기는 이 차트에서 읽을 수 없기 때문에 기술적으로는 그다지 의미가 없는 프레젠테이션이다

14nm 제조 비용의 상승이 불가피

　14nm 공정으로 돌진하는 인텔이지만, 비용의 부담은 적지 않다. 이것은 회사의 CFO 인 Stacy Smith 씨의 프레젠테이션이다.

　먼저 아래의 이미지는 웨이퍼 1 장을 제조하는데 필요한 비용을 보여준다. 65nm → 45nm 거의 동등 32nm은 그대로라면 다소 비용이 올랐지만 잘 재사용을 한 것으로 비용을 줄일 수 있다.

웨이퍼 1 장을 제조하는데 필요한 비용. 세로축이 비용이지만, 이것은 로그가 아닌 보통의 축 것으로 보인다

　그런데 22nm에서 1.5 배 가까이 치솟아 14nm 세대는 65nm 세대에 비해 거의 두배에 근접 할 것으로 예상되고 있다. 반면에, 평균 die size는 완만하기는 하지만 감소 방향에있다.

이것은 CPU와 칩셋을 대상으로 가중 평균을 낸 것으로, 특정 제품군을 가리키는 결과가 아니다

　특히 일부 제품군의 경우는 노트 PC 전용의 Core i 계의 경우 2013 ~ 2015 년을 비교하면 다이 크기는 29% 감소된다고 한다.

노트북 PC 용 프로세서의 다이 사이즈 추이. WADS는 Weighted Average Die Size (die size의 가중 평균) 뜻이다

　단적으로 정리하면, 다이 크기가 29% 줄어들면 그만큼 많은 코어를 하나의 웨이퍼에서 얻기 때문에 원가를 떨어뜨릴 수 있다는 것이다. 14nm 세대에서 더 큰 크기를 감소 시키면, 웨이퍼 제조 비용의 원가 상승분을 어느 정도 상쇄 할 수있게 된다.

　그럼 왜 비용이 오르는지 그 이유를 살펴 보자. 아래 그림이 2013년의 투자액이다.

2013년의 인텔의 투자. 아직 2013년 회계 연도의 결과는 나와 있지 않지만, 10 월에 발표 된 예측에 따르면 108 ± 3 억 달러에 이를 것으로 보이며,이 대부분이 제조 장치 용에 하는 것이다

　약 70억 달러가 제조 장치의 설비 투자이다. 이미 22nm의 설비 투자는 상당히 줄어들고 있기 때문에,이 대부분은 14nm 공정의 일이 될 것이다.

　14nm 투자는 2012년경 부터 이루어지고 있으며, 총 100억 (1달러 1000원 환산시 10조) 달러를 넘는 것은 틀림없는 것으로 이를 몇 년에 상각 할 것이라 이야기는 해도, 꽤 부담이 되는 셈이다 .

　아래 그림은 앞의 그래프에 웨이퍼 제조 매수를 거듭한 것으로, 웨이퍼의 제조 매수 자체는 32nm 세대와 별로 다르지 않는 것을 간파 할 수 있다. 또한 파운드리의 가동률도 지난 몇년 동안 80% 정도를 유지하고 다수를 만들어(다양한 제품) 상대적으로 원가를 낮추기도 어렵다.

선이 주당 웨이퍼 제조 매수가 된다

　이를테면 인텔의 14nm 세대 제품은 기존에 비하면 아무래도 비용이 상승하는 것은 피할 수 없다는 것이 여기에서의 결론이 된다.

공장의 가동률. 100% 가까우면 역시 무엇인가 있을 때의 대응을 할 수 없게 된다.(새로운 파생 제품을 생산해야 한다던가, 파운드리 서비스를 해야 한다던가 할때 대응) 또한 소품 종 대량 생산이라면 가동률은 올리기 쉽지만, 다품종 소량 생산이라면 가동률은 다소 낮춘다. 평균 80% 전후라고 하는 것은 나쁜 숫자가 아니다.

(아주 예전에는 1제품만 만들면 되고, 여기서 클럭별로 구분해서 팔면 되지만.. 지금은 제품의 종류가 많죠. 2코어, 4코어, 그래픽이 큰 GT3를 포함한 제품, 여기에 아톰, 훨씬 다코어인 제온, 제온파이 등.. 아톰이나, 재온은 또 역시 다이 자체가 다른 제품들이 존재하구요.)

인텔이 파운드리를 개방 14nm 이후 설비 투자가 장렬

　비용을 배경으로 생각하면, 14nm 세대에서 충분한 생산 라인을 유지하고 투자를 회수하고, 다음 10nm 세대를 향해 새로운 투자를 하기 위하여는, 어쨌든 제품을 제조하고 판매하지 않으면 한다.

　그런데 PC 시장은 정체에서 축소 변하고 있어 모바일에서는 충분한 존재감을 유지하지 못하고, 게다가 지금까지의 매출의 원동력 이었던 서버 부문이 클라우드 및 스케일 아웃과 유행에 따라 매출이 떨어지고 있다.

　즉 인텔만으로는 이미 자사 파운드리 생산 라인을 유지하지 못할 우려가 나온 셈이다. 그래서 본격적으로 인텔은 파운드리 달리 서비스를 발표했다. 여기에서 회사 President 인 Renee James 씨의 설명을 전하자.

여기에 미국 오리건에 있는 14nm 세대의 파운드리 "D1X"의 사진이 나오는 근처가 실로 의미심장하다

　그 James 씨가 파운드리 서비스에 대해 먼저 나타낸 것이 아래의 그림이다. Altera는 20nm 공정에서 TSMC를 통해 자사의 FPGA를 생산하지만, 14nm 세대에서는 인텔의 14nm 프로세스로 전환한다 2013년 2월에 발표하고 있다 ( 관련 링크 ).

이 슬라이드 자체는 Altera가 14nm 세대의 "Stratix 10" 발표에 즈음 인텔의 14nm를 채용하는 것으로 나타내는 것 이지만, 이것은 인텔이 재차 나타내는 것에 의미가 있다

　"Startix"라고 하는 것은 자사의 하이 엔드 FPGA 시리즈에서 CPU와 같이 고속 · 고밀도 로직 공정을 이용하여 제조하기 때문에 인텔의 파운드리는 어떤 의미로 최적인 제품 이라 말할 수 있다. 실제 트랜지스터 밀도 자체를 직접 비교하면 14nm 이후의 세대 인텔 쪽이 유리 하다고 말하고 있다.

트랜지스터 밀도 비교. 이것도 세로축은 로그로 트랜지스터 1 개당 면적을 비교하고 있다. 즉 값이 낮을수록 고밀도 회로를 구현할 수 있다.

　비용도 단위 면적당 비용 자체는 상승 추세에 있지만 이를 웃도는 기세로 단위 면적당 트랜지스터 수를 늘릴 수 있으므로 결국 트랜지스터 당 비용은 계속 내려 간다라는 것이 인텔의 주장이다 .

트랜지스터 수 당 비용. 동일한 회로이면 공정이 다소 바뀌어도 같은 정도의 트랜지스터 수로 구현 할 수 있으므로 계속 공정의 미세화에 의해 비용이 내려간다 인텔은 주장하고 있다

　또한 원래 인텔은 이미 서버 / PC / 모바일 공정을 나누고, 용도에 따라 공정을 사용할 수 있다고 말하고 있다.

왼쪽은 성능을 중앙 동적 소비 전력을 나타내며, 오른쪽은 소비 전력 당 성능의 동향을 정리하여 보여준다.

　또한, 트랜지스터뿐만 아니라 그 위에 있는 배선층에 대해서도 고성능 전용과 SoC 용으로 여러 종류를 준비하고 있으며, 또한 다양한 제조를 위한 옵션을 제공하고 있다.

모두 다이의 단면의 전자 현미경 사진. 하단이 트랜지스터 그 위에 배선층이 쌓인다.

　원래 인텔은 TSMC와 커먼 플랫폼 (IBM, GlobalFoundries, Samsung) 진영보다 앞서서 다양한 기술 혁신을 행해 온 것에 대해서도 언급하고 있다. (이중 IBM은 PC서버 사업부를 2014년에 레노버에 팔았고, 반도체 사업부도 매각할 생각이라고 합니다.)

평균 3.5 년 정도 경쟁 파운드리 보다 먼저 새로운 기술을 도입하고 있다고 , 이것 자체는 사실이다

　조금 위의 이미지를 광고하기 좋아하는 것은 파운드리 서비스에 진출함에 있어서 충분한 우위성이 있다 그러므로 비즈니스로 성립한다고 투자자에게 납득 시키기 때문이다.

인텔 파운드리 전략. 세미 커스텀 쪽은 "인텔의 회로 기술에 고객의 고유 IP를 도입" 어떤 것에서도 기본은 SoC 전용이 될 것으로 보인다

　그 파운드리 서비스이지만, 하나는 기존의 제품 기반의 세미 커스텀 다른 하나는 풀 커스텀이다.

　지금까지 인텔은 소량이지만, Achronix / Tabula / Microsemi 같은 작은 FPGA 벤더의 차세대 제품 생산을 하청 받고 있으며, 이미 Archtonix 등은 샘플 출하가 개시되어있다. 또한 Altera의 14nm 세대 제품도 하청할 것이지만, 이것들은 모두 풀 커스텀에 속하는 사업이다.

　세미 커스텀이라고 하면 AMD가 PS4와 XBox one CPU를 만든 것처럼, 인텔도 과거에는 Xbox 용 CPU를 제공했다. 최근에는 Google과 Facebook, Amazon 같은 대기업에 그들이 희망하는 커스텀 CPU를 제공하고 있다.

　그러나 여기에 언급된 세미 커스텀의 대상은 모바일 또는 임베디드 제품 용으로, Atom 등을 기반으로 하는 커스컴 SoC의 제공 등을 신규 수탁하고자 하는 것이다.

　이 사업이 과연 잘 될지 어떨지는 너무 불확실성이 너무 많아서 정말 말할 수 없다는 것이 현재의 필자의 평가이다.

　단지, 지금까지 인텔은 절대로 자신의 파운드리를 외부에 개방하지 않았다. 예외는 비즈니스 관계가 있는 경우, 예를 들면 XScale을 Marvell에 매각 후 얼마 기간은 Marvell을 위한 XScale의 파운드리 서비스를 하고 있었고, 마찬가지로 IXP 시리즈를 안고 인텔에서 스핀 아웃 한 Netronome 용으로는 현재도 파운드리 서비스를 제공하고 있다.

　상기는 정말 예외이며, 지금까지 외부에서 무슨 말이 있어도 인텔은 파운드리를 타사 용 제품에 개방하지 않았다. 라고 하는 것은 인텔의 강점 원천이 파운드리에 있기 때문이다, 그 인텔이 외부 공개에 단행해야 되도록 14nm 이후의 설비 투자는 처절한 것이기도 하다.

　그래서 차후에 좀더 이 파운드리 및 반도체 공정에 대해 여러 번으로 나누어 설명을 해 나가자.

2014년 1월 13일 기사 입니다.

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