3Dトランジスタ技術でようやくIntelと並ぶ AMDは次世代のGPU、CPU、APU(Accelerated Processing Unit)を、GLOBALFOUNDRIESの14nmプロセス技術で製造する見込みだ。全ての製品かどうかはまだ分からないが、複数の製品がGLOBALFOUNDRIESで設計されているという。14nmプロセスは、FinFET 3Dトランジスタ技術で、これによって、AMD製品も、Intelと同じ3Dトランジスタの土俵に立つことになる。FinFET 3Dトランジスタは、リーク電流(Leakage)を大幅に抑え、性能/電力を引き上げ、特に低電力時の性能を上げる。 GLOBALFOUNDRIESは、28nmプロセス世代では、ファウンダリ最大手のTSMCに大きく引き離された。しかし、今回の14/16nmプロセス世代では、ほかのファウンダリに急速に追いつきつつある。14/16nm世代の開発製造でTSMCと並んで先行するSamsungから、プロセス技術のライセンスを受けたためだ。 Samsungの14nmプロセスには、先行生産の「14LPE」と、性能を引き上げた後発の「14LPP」の2種類のプロセスがある。Samsung自身も、現在、2世代目FinFETの14LPPの量産に入ろうとしている。GLOBALFOUNDRIESはどちらもライセンスを受けたが、14LPPに注力して量産に入るという。 GLOBALFOUNDRIESは、28nmプロセスと14nmプロセスの間の20nmプロセスも事実上スキップに近い状態になっている。つまり、出遅れたプロセスはスキップして、2世代目のFinFETプロセスで一気に追いつこうとしている。ちなみに、FinFETプロセスでSamsungと並ぶTSMCも、最初の16nmプロセス「16FF」から、パフォーマンスアップ版の2世代目プロセス「16FF+」へと移行しつつある。TSMCは16nmとノード名を付けているが、Samsung/GLOBALFOUNDRIESの14nmプロセスと、メタルピッチ(配線間隔)やフィンピッチ(フィン間隔)的には同じ世代だ。

フィンの高さが異なる2世代目のSamsung/GLOBALFOUNDRIESの14nmプロセス AMDのGPU/CPU/APUをブーストするGLOBALFOUNDRIESの14LPPプロセス。Samsungは、すでに14nmでAppleのiPhone 6s/6s PlusのA9 SoC(System on a Chip)を製造している。A9は、先行する14LPEプロセスで量産されていると見られる。AMD製品を製造するのは、同じ14nmでも、後発の14LPPとなる。Samsungが開発した14LPEと14LPPは、同じ14nmでも内容が大きく異なる。一言で言えば、早く製造できるように無難な技術レベルに抑えたのが14LPEで、時間をかけて性能を引き上げたのが14LPPだ。Samsungは、11月に開催されたARMの技術カンファレンス「ARM Techcon」で、14LPPの概要を明らかにしている。 両プロセスの最大の違いは、フィンハイト、つまり、3Dトランジスタのソース-チャネル-ドレイン部分であるフィンの高さだ。正確な比率は公表されていないが、14LPEに対して14LPPは、フィンの高さが高くなっている。フィンが高くなると何がいいのか。最大の利点は、ゲート幅が広がり面積が広くなることだ。 従来のプレーナ型の2Dトランジスタでは、シリコン基板の上にゲート電極が配置されており、ソース－チャネル－ドレインが平面上に並んだ2D構造となっている。それに対して、FinFET 3Dトランジスタでは、ソース－チャネル－ドレインが立体化されている。ソース－チャネル－ドレインが、フィン(ひれ)のように立っていることから、FinFETと呼ばれている。 FinFETでは、ゲートはフィン中央のチャネル領域を3方向から囲むように形成されている。ゲート電極にかける電圧を上げてしきい電圧より高くすると、ソース－ドレイン間のボディにチャネルが形成されて電流が流れ始める。ゲートが立体となっているため、プレーナ型よりもゲート幅が広くなり、特性が良くなる。

困難が多いフィンの高さの拡張 FinFETはこうした構造であるため、フィンが高ければ、よりゲート幅が広がり、性能が上がる。フィンハイト(フィンの高さ)は、FinFETでの性能の重要なファクタとなっている。 また、フィンの高さが高くなると、リーク電流もより抑えられる。現在のプロセスは微細化したために、ゲートの長さが短くなると発生する短チャネル効果(SCE:Short Channel Effect)が問題となっている。チャネル(ゲート長)が短くなると、ゲートに電圧を掛けていないオフ状態でも、ソースとドレインの間で電流が流れるサブスレッショルドリーク電流が増大する。フィンが高くなると、短チャネル効果はさらに抑えられる。 さらに、フィンを複数使う性能の高いマルチチャネルトランジスタでは、より少ないフィン数で同じ性能を出せるようになる。結果として、回路の部品であるスタンダードセルの面積を減らすことができる。 簡単に言えば、フィンハイトの高い14LPPは、14LPEに対して、より高性能かつ、より低電力なプロセスとなる。いいことづくめのようだが、話はそう簡単ではない。FinFETプロセスの製造で最も困難な点の1つは、ハイトコントロール、つまり、フィンの高さの制御だ。この制御が非常に難しいため、フィンを高くすると特性ばらつきが大きくなり、製造が難しくなる。

高性能CPUやGPUを作ることができる14LPP 14LPPには、トランジスタの構造以外にも14LPEと大きく異なる点がある。それは、デバイスピッチとスタンダードセルライブラリだ。簡単に言えば、14LPEは高密度なピッチとライブラリに最適化されていた。それに対して、14LPPは、高密度から高性能まで幅広いライブラリの選択肢がある。言い換えれば、14LPEではAMDの高性能CPUやGPUを作ることは難しいが、14LPPはそれができる。 具体的には、Samsungの14nmプロセスでは、CPP(Contacted Poly Pitch)に78nmと84nmの2つのオプションがある。14LPEでは、このうちの78nmしか使えなかったが、14LPPでは84nmのオプションを使うことができる。CPP(Contacted Poly Pitch)は、デバイスピッチ(Device Pitch)やトランジスタピッチ(Transistor Pitch)と同じく、トランジスタの間隔の指標となるパラメータだ。これが狭いほど、よりトランジスタ密度が高くなり、広いほど性能を上げやすくなる。Samsungの14nmでは、高パフォーマンスライブラリは84nm CPPをベースにする。