Het nattevingerwerk van nanometers

In het algemeen zegt de hoeveelheid nanometer iets over de kleinste nog definieerbare structuren op het chipoppervlak, maar fabrikanten publiceren wel heel specifieke hoeveelheden nanometers. Dat lijkt er op te wijzen dat er een soort standaard is om de afmetingen van die structuren te meten. Dat ligt wat gecompliceerder, maar er zijn wel afspraken gemaakt. De aanduidingen zijn afkomstig van de ITRS, de International Technology Roadmap for Semiconductors.

Om de paar jaar stellen experts op het gebied van halfgeleidertechnologie die roadmap op en geven daarbij een overzicht van de stand van zaken rond de chipproductie en een voorspelling voor de daaropvolgende vijftien jaar. Het gaat dan om deskundigen uit de VS, Europa, Japan, Korea en Taiwan, van onder andere de grote chipbedrijven als Intel en TSMC, en van machinemakers als ASML en Nikon. Het meest in het oog springende onderdeel van de roadmap is de labeling van de nodes. Aan de ITRS hebben we dus de aanduidingen 45nm, 32nm, 22nm, 14nm, enzovoorts te danken.

Die labels komen niet uit de lucht vallen. Althans, in het verleden was die labeling direct gerelateerd aan het kleinste onderdeel van een chip: de transistor oftewel de mosfet. De eerste roadmap van de halfgeleiderindustrie verscheen begin jaren negentig. In die tijd zagen de chipbedrijven al dat de ontwikkeltijd voor processors enorm zou verkorten, wat de noodzaak voor coördinatie en het delen van kennis van de laatste technieken deed toenemen.

Processor Lifecycles

Op de eerste roadmap staat de feature size als belangrijkste eigenschap en voor dram, want om die chips ging het, was die in 1992 0,5 micrometer. Die lengte is gebaseerd op de gate van de transistor. Elke transistor heeft een source, een drain en een gate. Door spanning aan te brengen op de gate, vloeien de elektronen van de source naar de drain. De lengte van de gate heeft invloed op de snelheid van het schakelen van de transistor en chipfabrikanten proberen dan ook de gate zo kort mogelijk te maken.

Begin jaren negentig was er een hechte relatie tussen de gatelengte en de pitch. De pitch is de afstand tussen de metalen contactlijnen, of interconnects, waardoor de elektronen stromen en die aan weerszijden van de transistors zitten. In de praktijk gebruikt de industrie de helft daarvan als meeteenheid, de half-pitch. Voor geheugen is die afstand belangrijk want hoe kleiner de pitch, hoe meer bits er op een chip gepropt kunnen worden. Geheugenfabrikanten richten zich dus voornamelijk op het verkleinen van de half-pitch, terwijl voor logic-chips, oftewel processors, het terugbrengen van de gatelengte het belangrijkste is.

transistor gate pitch

Daarmee zijn er al twee waardes die als basis kunnen dienen voor nodes, maar de relatie tussen de twee zorgde voor een probleem. Naarmate de transistors kleiner werden, was er steeds minder overeenstemming over hoe de lengte van de gate bepaald moest worden. Moest de lengte van de ontwerpen, de gemeten waarde of de effectieve afstand als basis dienen?

Gate lengte

Het gevolg was dat de waardes tussen half-pitch en gatelengte steeds verder uit elkaar kwam te liggen en chipfabrikanten elk hun eigen definities over de lengtes aanhielden. De relatie tussen de node zoals de experts van de ITRS die vaststelden, en de half-pitch- en gatelengte op de roadmap werd steeds diffuser. Kijk maar eens naar de waardes die de deskundigen gebruikten.

Jaar	Node (nm)	Half-pitch (nm)	Gatelengte (nm)
2009^a	32	52	29
2007^a	45	68	38
2005^b	65	90	32
2004^b	90	90	37
2003^b	100	100	45
2001^c	130	150	65
1999^c	180	230	140
1997^d	250	250	200
1995^d	350	350	350
1992^d	500	500	500

a: ITRS 2008, b: ITRS 2006, c: ITRS 2001, d: ITRS 1997, bron: IEEE Spectrum

En vergelijk die met de cijfers van bijvoorbeeld Intel. De roadmaps van andere fabrikanten lieten eenzelfde discrepantie zien, waarmee de vraag ontstond wat een 'node' eigenlijk nog was.

Intel's logic roadmap
Jaar	Node (nm)	Half-Pitch (nm)	Gate-lengte (nm)
2009	32	~52	~15
2007	45	~75	<25
2005	65	105	<35
2003	90	110	<50

De ITRS vroeg zich hetzelfde af en besloot daarom in de 2005-editie te stoppen met de term. "De flinke verwarring met betrekking tot de ITRS-definitie van een node zie je terug in veel persberichten en andere documenten die naar 'node-acceleratie' verwijzen, gebaseerd op andere, veelal, ongedefinieerde criteria", stond in de ITRS 2005. De node-aanduidingen waren dus in handen gekomen van de marketingafdelingen. En die lieten ze niet meer los, want na het besluit ermee te stoppen, keerden ze in de ITRS 2009 alweer terug. De industrie kon niet zonder een enkele aanduiding waaronder alle technologische vorderingen geschaard konden worden.

Finfet
Dat betekent niet dat de onduidelijkheid over wat nu precies een 22nm- of 14nm-procedé is, verdwenen was, in tegendeel. Door de komst van finfets is er nog een extra eigenschap bijgekomen waarvan de grootte van groot belang is. De finfet-transistors worden ook wel 3d-transistors genoemd. Ze ontlenen hun naam aan de vorm; een vin tussen source en drain wordt door een gate aan drie kanten omsloten en vormt een dubbele gate. Bij de ITRS 2013 verscheen een Overall Roadmap Technology Characteristics-tabel waarin ook de halfpitch-waarde en breedte van de finfets meegenomen werd.

Daarmee houdt het nog niet op want er zijn nog andere afmetingen op de nanoschaal die volgens deskundigen als maatstaf gebruikt kunnen worden, zoals die van 6T sram-cellen of die van logic cellen. De omvang van de 6T sram-cellen is gebaseerd op het oppervlak van de bitcellen van static random-access memory, bestaande uit zes transistors. De caches van processors bestaan uit dit statische ram. De omvang van logic-cellen is gebaseerd op de lengte en breedte van finfet-transistors. Dit gebruikte Intel bijvoorbeeld onlangs bij een claim dat het bedrijf met deze oppervlakte nog steeds een voorsprong van drie jaar heeft op zijn concurrenten. De 10nm-node waar Samsung en TSMC dit jaar mee komen, zou wat logiccell-oppervlak betreft gelijk zijn aan Intels 14nm-procedé. TSMC beweerde in het verleden dat de nodes bij 10nm juist samen zouden komen.