[분석정보] 모바일에 최적화를 진행한 Intel의 14nm 공정

다른 기사에서 소개한 Intel의 "Core M" 프로세서 (이하 Core M)는 Core 프로세서로 성능을 유지하면서 팬리스 태블릿 디자인을 가능하게 하는 임팩트 있는 ​​물건이었다. 그 "Broadwell (브로드웰)" 을 물리적으로 지원하는 것이 새롭게 도입된 14nm 제조 공정이다.

 14nm 공정의 최대의 과제는 모바일 제품에 최적화이다. 이번에 발표된 Intel의 14nm 공정은 무엇 보다도 와트 당 성능을 높이는 데 촛점을 맞추고 있으며, 그것이 그러므로 Broadwell의 저소비 전력을 실현할 수 있도록 된다.

 또 기존에는 1년 정도 늦었던 SoC 버전도 반년 정도의 지연으로 도입 가능하게 해, Intel이 빠르게 비즈니스를 일으켜 세울 목표로 하는 태블릿 용이나, 고전하고 있는 스마트 폰 용의 SoC에 대해서도 큰 무기가 될 가능성이 높다.

2세대로 진화한 트라이 게이트 트랜지스터의 이점을 살린 14nm

 Intel이 공개한 자사의 14nm 공정의 개요는 다음과 같다

	14nm 세대	22nm 세대	이전 세대에 비해 확대 / 축소 비율
트랜지스터 게이트 길이	70nm	90nm	78%로 축소
트랜지스터 핀 길이	42nm	60nm	70%로 축소
트랜지스터 핀 높이	42nm	34nm	123%로 확대
인터커넥트 간격	52nm	80nm	65%로 축소

 Intel은 22nm 공정 세대부터 게이트가 3D 형태로 구성되는 소위 트라이 게이트 트랜지스터를 도입하고 있다. 또한,이 구조의 트랜지스터는 FinFET라고 부르는 것이 일반화 되어 있으며, 트라이 게이트 트랜지스터는 Intel 의한 호칭되지만, 이번에는 Intel의 화제이므로 표현을 트라이 게이트 트랜지스터로 통일한다.

 게이트라는 것은 트랜지스터 내부의 구조로 소스와 드레인 사이에 있어, 전류를 흐르게하거나 흐르지 않도록 조정하는 "문"에 해당한다. 전류를 흐르게 하거나 흐르지 않게 하거나 하는 구조를 이용하여 마이크로 프로세서는 여러가지 연산을 하게된다. 32nm 이전 공정에서는 이 트랜지스터의 게이트가 평면에 구성된 구조 (이른바 플래너 구조)가 채용되어 왔지만, 22nm 공정 세대 핀 이라는 지느러미 같은 돌출 부분이 구조물로서 준비되어 이것도 게이트로 사용 가능하게 된다. (게이트가 3 방향으로 구성되기 때문에 트라이 게이트 트랜지스터 라고 한다).

 14nm 프로세스는 이 트라이 게이트 트랜지스터가 더욱 진화하고 있다. 우선 첫 번째 특징은 핀의 간격이 짧아지고 있는 것이다. 기존의 22nm 세대에서는 핀의 간격이 60nm였던 것에 비해, 14nm에서 42nm로 30% 짧아지고 있다. 또한 게이트 길이 자체도 22nm 세대에서 90nm이었던 것이, 14nm에서 70nm로 22% 짧아지고,이것으로 보다 트랜지스터의 밀도를 높일 수 있게 된다.

 또한, 핀의 높이 자체도 높아지고, 22nm 세대 34nm였던 것에 비해, 14nm 세대에서는 42nm로 23% 높아졌다. 간격이 줄어들고, 더 높아진 핀은 트랜지스터의 성능 향상에 크게 기여하게 된다.

 다이의 각 층을 연결하는 인터커넥트 대해서도 22nm 세대에서는 최소 80nm였던 것에 비해, 14nm에서는 최소 52nm로 35% 짧아졌다. Intel에서는 이 트라이 게이트 트랜지스터의 진화를 총칭하여 "제 2 세대 트라이 게이트 트랜지스터"라고 부른다.

 이러한 진화로 SRAM 셀을 제조하는 경우, 22nm 세대에서는 0.108μ 제곱m 가 되는 반면, 14nm 세대에서는 0.0588μ 제곱 m 가 된다. 대략적으로 말하면 다이 크기가 54%에서 끝나게 된다. 예를 들어, 현재 22nm에서 130 제곱 mm의 다이 사이즈로 제조 할 수 있는 마이크로 프로세서가 있다면 그것을 14nm로 제조하면 70 제곱 mm 정도로 해결되는 계산이 된다. (실제로는 메모리 셀을 제조하는 경우와 로직회로를 제조하는 경우에는 다르기 때문에 이대로 아니라, 어디까지나 이미지로 생각하기 바란다.).

 또한, 일반적으로 반도체 제조 공정은 20 / 22nm 세대, 28 / 32nm 세대 40 / 45nm 세대처럼, 풀 스케일과 약간 미세화 한 세대가 1개의 세대로 말해지는 것이 많다. 지금까지의 예로 말하면, Intel이 풀 스케일 (45nm, 32nm, 22nm 등)을 우선 도입하고 파운드리 등이 40 / 28nm 등의 약간 미세화 된 세대의 공정 방식을 도입하는 것이 많았다.

 이것은 Intel이 타사에 선행하여 새로운 세대를 소개하고 그 후에 파운드리 등이 약간 진화 한 세대를 몇 년 후 도입하기 때문에 이렇게 되는데 이 14 / 16nm 공정 세대는 16nm 대신 처음부터 더 미세화 된 14nm 공정을 도입하게 된다. Intel 기술 · 제조 사업 본부 부사장 산 제이 나타라쟌 씨는 "우리는 게이트 길이 × 메탈 길이에서 세대마다 53%의 미세화를 실현한다는 목표를 실현하는 목표를 실현하고 있으며, 그 결과로 이번에는 14nm 가 되었다. 그것을 실현 할 수 있었던 것도, 22nm 트라이 게이트 트랜지스터를 도입해, 14nm에서는 더욱 그것을 발전시켰기 때문이다"라고 말하며 TSMC 등의 경쟁 회사가 차세대 트라이 게이트 트랜지스터 ( FinFET)를 도입해도 16nm에 머무를 전망임을 지적하고 장점이 있음을 강조했다.

22nm와 14nm의 핀 간격과 길이 등을 비교

트라이 게이트 트랜지스터는 High-K 메탈 게이트 절연

22nm와 14nm의 게이트를 현미경으로 촬영한 사진

22nm와 14nm의 인터 커넥트의 비교

SRAM을 22nm와 14nm에서 제조한 결과

무어의 법칙에 따라 스케일링 한 결과로 22nm에서 14nm로 진화했다.

이에 대해 경쟁 업체는 20nm에서 16nm로 확장 될 가능성이 높다.

트랜지스터 성능 향상및 전력 절감에 따른 전력 효율은 두배에 이른다.

 Intel에 따르면 14nm 공정 도입의 장점은 트랜지스터 성능 향상, 리케지 전류 (누설 전류)의 감소, 활성 에너지 절감, 그리고 그들을 합쳐 전력 효율의 개선이 된다고 한다.

 특히 14nm 공정의 첫 번째 제품이 되는 "Broadwell-Y" 인 Core M에서는 그 장점이 크다고 한다. Broadwell-Y는 회로 설계 등을 포함해 14nm 공정에 최적화 되어 있으며, 그 특징인 활성 전력과 누설 전류의 감소와 저전압 동작시의 성능에 최적화 된 설계 등으로 전력 효율은 2 배로 지금까지의 공정 미세화시에 비해 전력 효율의 개선 비율이 높다고 말한다.

 제조 비용에서는, 동일한 웨이퍼 1 장을 제조한다고 생각하면, 22nm 공정 보다 높아진다고 말한다. 보통 이것이 최근의 제조 공정에서는 일반적인 이야기로, 반도체 메이커에 있어서는 더 미세화 된 공정을 도입 할 때마다 엄청난 개발 비용이 걸리게 된다. 약간 여담이지만 세계적으로 이 초기 투자 비용이 문제가 되고 있어, 현재는 세계적으로 고성능 최첨단 공정을 개발 할 수 있는 것은, Intel, TSMC, IBM 및 파트너 ( GLOBALFOUNDRIES와 UMC 등)로 구성된 IBM 얼라이언스 3 그룹에 집약된다. Intel과 TSMC 등의 거대 제조 기업은 그렇다고 하고, 중소 파운드리에서는 초기 투자가 1사로는 회수 할 수 없는 수준이되고 있기 때문이다.

 다만 트랜지스터 1개당 제조 비용은 세대를 거칠때 마다 감소하고, 보다​​ 많은 트랜지스터를 저렴하게 제조 할 수는 있게 되었다. 그런 의미에서 아직도 무어의 법칙은 살아 있다고 말할 수 있다.

모든 세그먼트에서 누설 전류가 줄어들고 있는 14nm

14nm에서는 트랜지스터 성능이 향상 활성 전력이 절감된다.

그 결과로 전력 효율이 개선

Broadwell-Y는 14nm에 최적화 되어 있으며,

통상보다 큰 전력 효율성 향상을 실현할 수 있다

웨이퍼 1 장 단위로 제조 비용은 상승하고 있지만,

트랜지스터 당 제조 비용은 계속 떨어지고 있다

14nm 수율의 상승은 순조롭고. 2015년 상반기의 수요를 충족 수준

Broadwell의 수율을 나타내는 슬라이드. 22nm 세대에 비해 다소 완만하지만

이미 대량 출하 가능한 단계까지 수율이 올라았다.

 Intel의 나타라쟌 씨는 "14nm 제품의 수율은 매우 순조롭게. 앞으로 추가 개선이 있다고 생각하고 있다. 이미 오리건의 D1X에서 양산에 들어가 있고 향후 2014년에 애리조나에서, 2015년 아일랜드의 팹에서 양산에 들어갈 수 있다 "고 말했다.

 Intel 공장 전개는 유명한 카피 이그잭트리라 불리는 건물의 구조 (직원 화장실 위치까지)까지 완벽하게 복사하여 전개하는 전략에 따라 이루어지고 있으며, D1X의 개발 성과가 미국 애리조나 주에 건설된 Fab42, 아일랜드의 더블린 교외에 건설된 Fab24로 완벽하게 복사된다. 물론 개발의 역할을 하던 D1X도 양산 공장의 역할도 겸해, 최초의 14nm 공정 제품은 여기에서 제조되어 전세계에 출하된다.

 나타라쟌 씨는 "생산 수율은 2015년 상반기로 예상되는 14nm 제품의 상승을 채운다 고 생각하고 있다"고 말하며 14nm의 상승이 예상대로 진행되고 있음을 강조했다. 실제로 공개된 슬라이드에는 22nm 수율의 상승보다 약간 느리지만 올해 하반기에 22nm 공정 때와 같은 정도의 상승이 예상 된다는 예측 그래프가 표시되어 있으며, 수율은 특히 문제 없을 것 같다.

 원래 2014년 상반기에 발표가 예정되어 있던 Broadwell의 예정이 늦어 Broadwell-Y가 올해 안에 그 외의 Broadwell이 2015년이 되어 버린 이유는 적어도 새로운 공정의 상승이 아닌 가능성이 높다. Broadwell 일정이 왜 뒤에 넘어지게 되었나, Intel에 가까운 관계자도 아주 입이 닫혀 진짜 문제는 알수 없다. 하지만 공정이 원인이 아니라고 하면, 나머지는 로직, 예를 들어 회로 주변 등에 어떤 문제가 있고, 그것을 다시 고쳤는지도 모른다.

로직뿐 아니라 공정도 모바일 퍼스트

 마지막으로, Intel에 있어서 14nm 공정이 어떤 의미가 있는지, 그것에 대해 언급해 두자. Intel 기술 제조 사업부 펠로우 마크 보어 씨에게 이번 14nm 공정의 사내 코드 네임을 들었을 때 "14nm는 P1272, SoC 버전이 P1273된다. 다만, 이번에는 별로 이런 사내 이름을 밖으로 말하지 않았다. 왜냐하면, 고성능 공정 쪽도 모바일에 최적화 하고, 양자의 차이는 작아지고 있기 때문이다 "라고 설명해 주었다.

 기존의 22nm 공정에서는 통상 판이 P1270, SoC에 이용되는 버전이 P1271이 되고, 마케팅 관련 슬라이드에서도 그것은 명확하게 나눠서 설명되어 있었다. 하지만 보아 씨에 의하면 14nm에서는 통상 판과 SoC 용 차이가 작아 모두 모바일에 초점을 맞춘 공정이 된다고 말한다. 사실, P1273, P1272에 반년 지연으로 생산에 들어갈 수 있다고 보아 씨는 말해 주었다. 22nm 이전의 공정에서는 SoC 버전이 약 1년 지연된 것에 비하면 그 차이가 작아지고 있는 것을 생산시기로도 알수 있다.

　따라서 2014년 말에는 Broadwell-Y와 거의 같은 타이밍에 14nm의 "Atom" 프로세서 인 'Cherry Trail'이 등장하게 된다. 지금까지는 PC 용 프로세서에 비해 1년 ~ 1년 반 가까이 늦어진 것에 비해 간격이 짧은 것은 큰 놀라움이지만, 그것은 Broadwell 자체가 반년 늦은 것, 그리고 고성능 버전 및 SoC 용 공정의 차이가 작아진 것, 그 두 가지가 합쳐진 결과라 말할 수 있다.

 어쨌든, 이렇게 보면, 제조 기술의 관점에서도 Intel이 회사전체를 들어 모바일 시프트를 펼쳐오고 있는 것은 알수 있다. 그것이 늦어 버린 모바일 시장에서 크게 반격을 올리는 큰 무기가 되는 것은 더 이상 반복 할 필요는 없을 것이다.

14nm Wafer (codenamed 'Broadwell')

14nm Wafer (codenamed 'Broadwell')

14nm Die Shot (codenamed 'Broadwell')

14nm Die Shot (codenamed 'Broadwell')

14nm Die Shot (codenamed 'Broadwell')

14nm Package (codenamed 'Broadwell')

Microscopic Mark Bohr: Intel 14nm Processors Explained

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