Heutige Spitzentechnik ist morgen Spezialtechnik

Unter dem Namen Specialty Technology läuft bei TSMC alles, was über Logikschaltungen hinausgeht. Dazu gehören eingebetteter nichtflüchtiger Speicher (embedded non-volatile memory, eNVM), Funktechnik (RF), Hochspannungstechnik und dank niedriger Betriebsspannung besonders sparsame Logik. Auch integrierte photonische Elemente entwickelt TSMC, dazu gleich mehr.

Die entsprechenden Elemente müssen für neuere Technologieknoten erst angepasst und als zusätzliche Schritte integriert werden. Eine besondere Herausforderung ist es, sie zusammen mit den Logiktransistoren zu fertigen, da andere Materialien zum Einsatz kommen. Den klassischen Flash-Speicher mit Floating Gate entwickelt TSMC nicht weiter, da er mit 18 Masken im 28-nm-Prozess zu kompliziert ist. Als dauerhafter Datenspeicher kommen künftig resistiver und magnetoresistiver RAM (RRAM und MRAM) zum Einsatz.

TSMC hat sie bereits auf FinFET-Prozesse übertragen: MRAM soll noch 2023 im 16-nm-Prozess eingeführt werden, RRAM bietet TSMC hier bereits an, ab 2024 soll er im 12-nm-Prozess verfügbar sein. Beide Speichertechnologien kommen mit drei Masken aus und sind zudem deutlich schneller: Ein 20 MByte großes Software-Update soll ein RRAM in drei Sekunden speichern, Embedded-Flash brauche eine Minute. Langfristig sollen MRAM und RRAM im N6-Prozess, einer Weiterentwicklung des 7-nm-Prozesses, nutzbar sein. Einen Zeitplan gibt es allerdings noch nicht.

Die technischen Daten der Speicher überzeugen bereits: Der MRAM hält über eine Million Schreibzyklen aus, bei RRAM sind es 250.000. Beide funktionieren im erweiterten Temperaturbereich von -40 bis 125 °C, wichtig für besonders anspruchsvolle Umgebungen. Für RRAM garantiert TSMC, dass Daten mindestens zehn Jahre erhalten bleiben, bei MRAM sind es sogar 20 Jahre.

Bei Funktechnik soll ein Umstieg von 16 auf 6 nm (N6RF) nicht nur die Leistungsaufnahme annähernd halbieren. Gleichzeitig sollen höhere Frequenzen möglich werden, bis zu 360 GHz schafft der neue Prozess. N6e hingegen ist auf Effizienz optimiert, die Transistoren schalten hier bereits mit 0,4 Volt.

Coupe ist bei TSMC kein Auto

Um die leistungsfähigen Chips mit ausreichend Daten zu versorgen sind schnelle Verbindungen erforderlich. Über lange Distanzen eignet sich dafür optische Datenübertragung am besten. Was die Konkurrenz, etwa Globalfoundries (GF), bereits anbietet, will TSMC ebenfalls bald marktreif haben.

Unter dem Namen Compact Universal Photonic Engine (kurz Coupe) entwickelte das Unternehmen einen Prozess zur Integration optischer Transceiver in Chips. Anders als bei GF werden die optischen Elemente allerdings als separater Chip gefertigt und auf den Logik-Chip montiert. Die Lichtleiter werden direkt an den optisch Chip angebunden, 2025 soll die Qualifizierung abgeschlossen und die Technik bereit für den Produktiveinsatz sein.

Hier setzt TSMC auf seine Erfahrung mit fortschrittlichen Packaging-Methoden. Auch zu denen gab es Updates.