기술에서도 늦어지고 있습니다. 인텔이 45nm 프로세스에서 도입했던 HKMG(High-K Metal Gate) 기술을 다른 제조사는 32~28nm 프로세스에서 간신히 도입했습니다. 인텔은 그 사이에 2세대 HKMG를 32nm에 넣었고 FinFET의 22nm도 시작했습니다. FinFET의 경우 업계의 흐름은14nm 전후였으니 이것도 인텔이 1세대 앞서는 것입니다.

이대로 진행되면 2014년에 파운드리 쪽에서는 20nm의 평면형 트랜지스터 프로세스, 인텔은 14nm의2 세대 FinFET가 되어 버립니다. 파운드리 중에는 처음부터 다시 시작하는 기업이 나올지도 모릅니다. 28nm 평명형과 14nm FinFET을 비교하면 얼마나 불리한지는 더 설명할 필요가 없습니다.

물론 이러한 상황은 컴퓨팅 디바이스에 큰 영향을 줍니다. 인텔 칩이 다른 회사의 칩보다 누설 전류가 적고 저전압 시 동작 클럭이 높다면, 아키텍처를 아무리 개선해도 이 차이를 극복하긴 어렵습니다.

평면형과 3D 트라이게이트형 트랜지스터의 단면도

20nm 연구 최종 단계를 사용해 FinFET의 도입을 보다 쉽게

이렇게 되면 안 된다고 판단한 파운드리 쪽에서는 로드맵을 2012년 후반기에 변경했습니다. 현재 스케줄에서는 TSMC가 16nm FinFET의 CLN16FF를 내년 말에 시작합니다. 글로벌 파운드리도 14nm FinFET의 14nm-XM을 2014년 새해 무렵까지 시작합니다. 또 UMC도 IBM에서 라이센스를 받아 20nm의 FinFET를 시작합니다. 글로벌 파운드리와 IBM은 프로세스 개발 연합 커먼 플랫폼의 일원이니 여기에 소속된 삼성도 같은 움직임을 보일 것으로 추측됩니다.

인텔과 주요 파운드리의 프로세스 로드맵

글로벌 파운드리와 TSMC를 보면 알겠지만 20nm 평면형 프로세스에서 1년 안에 FinFET을 시작하는 스케줄이 됩니다. 2년 걸릴 것을 1년으로 줄이고 있으며, 아래의 글로벌 파운드리의 슬라이드에서도 이 1년이라는 부분을 강조하고 있습니다. TSMC의 스케줄은 원래 2011년 10월의 ARM 기술 컨퍼런스 ARM Techcon에서 나온 것과 마찬가지로, 2015년에 FinFET의 CLN14를 시작한다는 것이었습니다.

글로벌 파운드리는 20nm부터 1년 안에 14nm를 시작합니다.

2011년 10월의 ARM Techcon. TSMC는 2015년에 FinFET를 시작합니다.

TSMC의 최신 로드맵에서는 FinFET의 CLN16FF를 2013년 말로 앞당김

FinFET를 표명하고 있는 파운드리 회사 3개의 공통점은 연구 최종 단계의 프로세스는 20nm세대로 공통화를 진행시키고, 트랜지스터를FinFET로 전환한다는 부분입니다. 즉, 이쪽도 난이도가 높은 프론트엔드의 FinFET화를 먼저 하고, 더 어려움 연구 최종 단계는 두번째 프로세스 세대로 공통화해 개발 노력을 분산합니다. 노드 명칭이 14nm나 16nm가 되도 BEOL(Back End Of Line)에 대해서는 20nm와 별로 다르지 않는 프로세스가 될 것 같습니다.

글로벌 파운드리의 20nm

에이리어 스케일링이 아닌 성능 효율에 초점을 맞춘다

물론 그것을 14/16nm라 불러도 좋냐는 의문은 남습니다(UMC는 20nm라 부릅니다). 그 때문인지 글로벌 파운드리는 14nm-XM에 대해서 '14nm 급의 FinFET'라는 미묘한 표현을 써서 ARM Techcon에서 발표를 진행했습니다. SRAM 밀도등이 발표되지 않았으니 아직 정확하게는 모르지만, 이 FinFET 세대는 에이리어 스케일링(칩의 크기를 줄이는 것)보다 FinFET에 의한 전력 삭감과 퍼포먼스 향상에 포인트를 둔 프로세스일 것 같습니다.

이것이 단적으로 나타내고 있는 것은 아래의 ARM Technon에서 나온 TSMC의 슬라이드입니다. 이것은 제일 왼쪽이 40nm의 범용 40G와 28nm, 그리고 퍼포먼스 모바일 전용의 28HPM를 비교한 것입니다. 왼쪽에서 두번째는 28HPM과 20nm, 그리고 모바일에 초점을 맞춘 통합 20SoC를 비교했습니다. 세번째는 같은 28HPM과 FinFET의16FF를 비교한 것이고, 제일 오른쪽은16FF와 10nm의 10FF를 비교한 것입니다. 즉, 20SoC와 16FF는 어느쪽이나 28HPM이라는 비교가 됩니다.

이 그림을 정확하게 읽어내면 이런 이야기입니다. 우선 보셔서 아시겠지만 칩 크기는 28nm HPM부터 20nm SoC, 28nm HPM부터 16nm FF의 변화가 모두 63%로 줄었습니다. 즉 20nm와 16nm는 트랜지스터 수가 같을 경우 칩 크기는 변하지 않습니다. 에이리어 스케일링의 효과는 없습니다.

그러나 속도와 전력 사용량은 다릅니다. 28nm HPM에서 20nm SoC로 변할 때는 크게 향상하지 않지만, 20nm SoC에서 16nm FF로 올 경우에는 크게 개선됩니다. 속도는 28HPM→20SoC가 15% 향상, 20SoC→16FF는 20% 향상이 됩니다. 소비 전력 절감은 28HPM→20SoC가 20%, 20SoC→16FF는 23%가 됩니다. 즉 트랜지스터를 FinFET로 바꾸면 성능이 20%, 전력이 23% 개선됩니다.

덧붙여서 표준으로 삼은 제일 왼쪽의 28HPM 데이터도 한 가지 짚고 넘어갈 것이 있는데, 28HPM는 저전력 고성능의 40LPG가 아니라 고성능 40G와 비교했습니다. 그 때문에 성능 향상보다 전력 절감이 더 큽니다.

TSMC의 각 프로세스별 스케일링

이렇게 보면 TSMC의 16nm와 글로벌 파운드리의 14nm는 모두 20nm 급과 같다는 인상이지만, 원래 노드의 숫자는 회사 상황에 따라 붙이는 경우가 많습니다. 인텔의 22nm FinFET도 Symposium on VLSI Circuits 2012에서 나왔던 경우를 보면 연구 최종 단계의 메탈 1 피치가 90nm로 결코 작지는 않습니다.

예를 들어 글로벌 파운드리의 경우 VLSI Symposium의 논문을 보면 28nm LP의 메탈 1피치가 90nm입니다. 20nm LPM이라면 64nm가 되며 인텔의 22nm와 비교하면 70%가 됩니다. 그 의미에서는 20nm와 연구 최종 단계를 공유하는 글로벌 파운드리의 FinFET은 14nm라 자칭해도 별 이상할 것은 없습니다.

인텔의 22nm 프로세스의 층 피치

글로벌 파운드리의 28과 20nm

물론 메탈 1 피치만 가지고 비교하는 것이 그리 큰 의미가 있는 건 아닙니다. 프로세스 노드명보다 중요한 것은 이 로드맵대로라면 파운드리가 2014년 부터 FinFET화의 장점을 누릴 수 있게 된다는 부분입니다. 그 의미에서 현재의 FinFET를 앞당긴 로드맵은 큰 의미가 있습니다.

모바일 디바이스에서 강력한 이점을 가진 FinFET

FinFET 그만큼 어려운 것은 첨단 칩의 주요 전장이 모바일이 되었기 때문입니다. 파운드리의 첨단 프로세스는 원래 GPU가 이끌어 왔었지만, 지금은 완전히 모바일 전용의 SoC가 견인하고 있습니다. 이 경향은 45/40nm 프로세스 즈음부터 심해졌습니다.

모바일이 발전하면서 고성능 모바일 프로세서를 필요로 하게 됐습니다. 그 때문에 파운드리는 고성능이면서 전력 사용량이 낮은 프로세스 기술을 준비하게 됐습니다. 예를 들면 TSMC가 40nm부터 저전력 공정인 CLN40LP, 고성능인 CLN40G 외에도 CLN40LPG이라 부르는 고성능 모바일 프로세서를 만들었던 것이 있습니다. NVIDIA는 테그라 계열에서 이 프로세스를 사용했음을 강조하고 있습니다. 28nm의 경우 TSMC는 저전력 고성능으로서 CLN28HPM를 시작했습니다. 글로벌 파운드리도 비슷한 움직임을 보여 초점을 고성능 모바일로 옮기고 있습니다. 파운다리 회사들이 FinFET의 적용에 맞춘 것도 바로 이 분야입니다.

FinFET화 해서 누설 전류를 줄이는 것은 물론이고 저전압 시 성능을 높일 수 있습니다. 모바일 전용 SoC는 대부분의 시간이 상대적으로 낮은 클럭으로 작동하기 때문에 클럭이 낮을 때 구동 전압을 줄여주는 FinFET의 효과가 큽니다. 당연히 모바일 전용 CPU 코어의 1등을 차지하고 있는 ARM은 이 문제를 민감하게 받아들여, 미국 산타 클라라에서 열린 ARM Techcon 2012나, 도쿄에서 열렸던 ARM Symposium에선 FinFET을 채택했습니다.

14nm의 FinFET의 지연 시간과 전압

14nm FinFET의 퍼포먼스와 전력의 차트

위 그림은 Techcon의 슬라이드로, ARM의 예상대로라면 14nm의 FinFET의 지연 시간과 전압, 퍼포먼스와 전력의 차트입니다. 전압이 줄어듬에 따라 FinFET는 성능적인 부분에서 이점이 크다는 것을 알 수 있습니다.

아래는 TSMC의 ARM Techcon에서 키노트 스피치 슬라이드와 글로벌 파운드리의 14nm 발표 시 슬라이드로, 양쪽 모두 저전압에서 성능 향상을 나타내고 있습니다. 애플의 A시리즈 SoC를 제조한 삼성도 2012년 3월의 Common Platform Tech Forum에서 14nm의 FinFET를 진행 중임을 알리고, FinFET가 0.7V로 구동 시 46%의 성능 향상을 전망할 수 있다고 설명했습니다.

TSMC, 글로벌 파운드리와 저전압 시의 성능 향상

이것을 보다 구체적인 프로세서 퍼포먼스로 나타내면 아래의 TSMC 슬라이드처럼 됩니다. 평면형 28nm와 20nm,16nm FinFET을 Cortex-A15 코어끼리 전력과 동작 클럭을 비교한 것입니다. 다른 한 쪽은 28nm의 Cortex-A9과 20nm의 Cortex-A15, 그리고 16nm FinFET의Cortex-A57를 같은 750mW의 전력에서 성능은 비교한 것입니다. 같은 전력을 쓰면서 2년 동안 성능을 2배로 높이기 위해 ARM은 FinFET를 필요로 하고 있습니다.

Cortex-A15 코어끼리의 프로세스 비교

코어/프로세스의 변화와 퍼포먼스 비교

이러한 상황에서 파운드리는 FinFET의 스케줄을 당겨 20nm 세대와 연구 최종 단계를 공통화해 도입을 성공 시키려 하고 있습니다. 이것이 잘 되면, 2014년 중에는 인텔과 경쟁할 수 있게 됩니다. 문제는 FinFET의 제조가 잘 되지 않으면 제품 수율이 오르지 않는 상태가 됩니다.

FinFET의 도전에 대해선 삼성이 Common Platform Tech Forum에서 설명한 바 있습니다. 격차의 제어가 FinFET의 성공의 열쇠로, 평면형보다 격차가 발생하는 크기가 커지면서 어려움이 큽니다. 삼성이 지적하던 것은 핀의 폭이나 높이, 채널 표면의 결정 격자 방향, 기생 저항 등의 차이로 이것이 평면형 시대와 공통되는 게이트 산화막 두께 차이나 게이트 길이의 차이도 더해집니다. 격차가 발생할 가능성이 있는 요소가 늘어나는 만큼 제조가 어려워집니다.

장벽은 높지만 파운드리 회사는 2014년의 결전을 향해 경주중입니다. 인텔을 역전하기 위해 FinFET로 역습을 노리지 않으면 안 되는 상황에서 회사들이 경쟁에 뛰어들고 있습니다. 그리고 이것은 인텔 외의 CPU 뿐만 아니라 GPU, 모바일 SoC의 경쟁력에 큰 영향을 줍니다. 실제로는 FinFET를 도입해도 웨이퍼의 제조 원가가 상승하면 트랜지스터/코스트가 줄어들지 않기 때문에 완벽한 전략은 아닙니다. 그러나 그것 밖에 길이 없는 것도 확실합니다.