半導(dǎo)體制造：又逢更新?lián)Q代時(shí)

　　環(huán)保意識(shí)的提升，首當(dāng)其沖的就是對(duì)各種電子產(chǎn)品能效指標(biāo)的愈加嚴(yán)格，功耗管理及其對(duì)系統(tǒng)成本和性能的影響是當(dāng)前電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和制造商所首要關(guān)注的問題。隨著競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，盡力降低功耗、加強(qiáng)對(duì)熱耗散的有效管理、并同時(shí)在由價(jià)格和性能驅(qū)動(dòng)的功能方面保持領(lǐng)先等更加不可或缺。與眾多先進(jìn)電源管理方案實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)功耗相比，制程工藝的進(jìn)步才是提升性能和降低功耗最根本的辦法，轉(zhuǎn)向更高制程無疑是提升半導(dǎo)體產(chǎn)品性能功耗比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力最直接有效的辦法。

　　市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Gartner Dataquest產(chǎn)業(yè)分析師Kay-Yang Tan表示，過去數(shù)十年來，集成器件制造商IDM在工藝技術(shù)及服務(wù)的創(chuàng)新方面扮演領(lǐng)航者的角色，未來也將繼續(xù)在新世代產(chǎn)品的開發(fā)上扮演重要的角色。專業(yè)集成電路制造服務(wù)領(lǐng)域所產(chǎn)出芯片的市場(chǎng)銷售金額占全球半導(dǎo)體業(yè)的比例已從1998年的9.2%增加到2009的28.1%。

　　經(jīng)歷過經(jīng)濟(jì)危機(jī)的洗禮之后，半導(dǎo)體市場(chǎng)從2009年下半年開始強(qiáng)力反彈，在這樣的市場(chǎng)大環(huán)境推動(dòng)下，2010年又將迎來一個(gè)制程工藝全面革新?lián)Q代的年份。2009年，Intel已經(jīng)邁入了32nm時(shí)代，今年領(lǐng)先的幾大代工廠商均已經(jīng)宣布開始量產(chǎn)32nm的博弈。TSMC臺(tái)積電、IBM聯(lián)盟以及三星都已經(jīng)在2009年公開了自己2010年的工藝革新計(jì)劃，只是，這次三大代工陣營似乎如商量好般直接發(fā)布自己的28nm工藝，而跳過了32nm這個(gè)主節(jié)點(diǎn)。

　　代工廠的進(jìn)程

　　28nm工藝是目前幾大主流Foundry代工廠提供的新一代工藝節(jié)點(diǎn)，代工界龍頭TSMC計(jì)劃于2010年第三季與第四季依序推出28LP 低耗電及28HP高效能的工藝以滿足客戶的需求，并且于2011年第一季再推出28HPL 高效能低耗電的后續(xù)工藝。一般而言，大規(guī)模的生產(chǎn)時(shí)程會(huì)于推出半年后開始。TSMC將同時(shí)提供客戶高介電層/金屬柵HKMG，High-k Metal Gate及氮氧化硅SiON，Silicon Oxynitride兩種材料選擇，與40nm工藝相較，柵密度更高、速度更快、功耗更少。TSMC負(fù)責(zé)研發(fā)的資深副總蔣尚義博士介紹，之所以選擇跳過32nm，是因?yàn)楣に嚩际腔诜?wù)客戶的需求。 相較于32nm，28nm的柵密度顯然更高許多。同時(shí)考慮到客戶在高效能對(duì)于速度以及無線移動(dòng)通訊對(duì)于低耗電方面的要求分別推出以HKMG柵極工藝的28HP以及延續(xù)SiON閘極介電材料的28LP，相信會(huì)給客戶帶來更多在效能，耗電及成本方面的效益。

　　TSMC的HKMG用于28HP高效能是全新的工藝，與40nm相較在相同漏電基礎(chǔ)上有50%的速度提升，相同速度基礎(chǔ)上漏電亦有大約50%的降低。HKMG的工藝成本會(huì)增加，但是TSMC在每一代的工藝都會(huì)給客戶盡可能高的性價(jià)比。TSMC的28nm HKMG比一般32nm有更高的柵密度、更快的速度、更低的耗電，同時(shí)HKMG更進(jìn)一步降低了柵極的漏電。盡管也有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手同時(shí)有采用Gate first的工藝，但是這種單一金屬材料很難同時(shí)讓NMOS、 PMOS 達(dá)到功能的匹配。TSMC使用不同的金屬材料使得NMOS、PMOS在功能的匹配及Vt調(diào)整上都能達(dá)到要求。

　　從設(shè)計(jì)角度，蔣尚義博士介紹，28nm與現(xiàn)在的4540nm這代工藝相比存在全新挑戰(zhàn)。 TSMC在4540nm 采用了部分的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則限制Restricted Design Rule，但是到28nm設(shè)計(jì)準(zhǔn)則限制的范圍更加擴(kuò)大;另外提取和仿真extraction and simulation需要處理更多的數(shù)據(jù)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，TSMC和客戶以及設(shè)計(jì)伙伴間對(duì)每個(gè)產(chǎn)品都必須更早及更緊密地聯(lián)系及合作。

　　為了提高合作的效能，TSMC為了先進(jìn)工藝推出多項(xiàng)EDA技術(shù)檔案。包括可互通的制程設(shè)計(jì)套件iPDK、制程設(shè)計(jì)規(guī)則檢查iDRC、集成電路布局與電路圖對(duì)比 iLVS，及制程電容電阻抽取模塊 iRCX，其中iRCX就是為28nm推出的。

　　與前一代工藝比較，為了依然能夠達(dá)到讓新工藝有大約2倍的柵密度gate density，TSMC的28nm 在線路布局方面有新的要求。同樣地，將來更新工藝如 22/20nm在design rule設(shè)計(jì)準(zhǔn)則方面會(huì)有許多新的要求與限制以達(dá)到柵密度倍增的要求。將來可以預(yù)見的是客戶會(huì)更緊密地與晶圓代工伙伴合作以提前應(yīng)對(duì)許多在制程工藝以及設(shè)計(jì)上更多的挑戰(zhàn)，以達(dá)到上市以及上量的目標(biāo)。

　Fabless擇機(jī)而動(dòng)

　　處理器、FPGA與基帶處理，這三個(gè)能夠完成獨(dú)立處理功能的半導(dǎo)體產(chǎn)品還有什么共同點(diǎn)?那就是必須一直堅(jiān)持緊跟工藝革新的步伐，否則就將面對(duì)可能掉隊(duì)的危險(xiǎn)。這三種產(chǎn)品其實(shí)并不一定是采用最領(lǐng)先的制程就能制造出最符合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，但面對(duì)著越來越激烈的半導(dǎo)體產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)，三大產(chǎn)品線已經(jīng)不得不咬緊牙關(guān)，把工藝緊跟到底。在眾多Foundry已經(jīng)公布28nm路線圖的基礎(chǔ)上，目前只有這三大應(yīng)用的Fabless公司高調(diào)公布了自己的28nm產(chǎn)品戰(zhàn)略。

　　處理器

　　Intel早已在2009年就開始32nm生產(chǎn)，作為目前唯一一個(gè)宣稱要堅(jiān)持到底的IDM廠商，Intel一直將工藝作為其產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。而另一家處理器廠商AMD則還在與自己的代工廠GLOBALFOUNDRIESGF進(jìn)行相關(guān)工藝開發(fā)，預(yù)計(jì)今年下半年可以推出3228nm的工藝。通用處理器IP廠商MIPS同樣已經(jīng)開始推出基于全新制程節(jié)點(diǎn)的參考設(shè)計(jì)提供給客戶。

　　便攜處理器方面，GF和ARM共同發(fā)布了其尖端片上系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)的新的細(xì)節(jié)，該平臺(tái)技術(shù)專門針對(duì)下一代無線產(chǎn)品和應(yīng)用。這一新的平臺(tái)包括兩種GF的工藝：針對(duì)移動(dòng)和消費(fèi)應(yīng)用的28nm超低功耗SLP工藝和針對(duì)要求最高性能應(yīng)用的28nm高性能HP工藝，預(yù)計(jì)GF將在2010年下半年啟動(dòng)制造生產(chǎn)。相較于以往的40/45nm技術(shù)， 28nm工藝及其Gate-First HKMG技術(shù)能夠提供卓越的性能收益。根據(jù)目前的預(yù)計(jì)，28nm HKMG在相同的溫度范圍thermal envelope內(nèi)提高約40%的計(jì)算性能，改善移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用性能，強(qiáng)化多任務(wù)處理能力?？蛻粼趶V泛采用的Gate-First方法中的獲益，現(xiàn)在也能在 HKMG工藝中取得。與40/45nm工藝相比，28nm HKMG工藝的結(jié)合能夠提升30%的功耗效率，并將待機(jī)電池壽命延長了100%。

　　FPGA

　　Altera公司在今年2月初舊已經(jīng)確定2010年將攜手TSMC推出自己的28nmFPGA產(chǎn)品，同時(shí)在即將推出的28nm中采用的創(chuàng)新技術(shù)：嵌入式HardCopy模塊、部分重新配置新方法以及嵌入式28/Gbs收發(fā)器，這些技術(shù)將極大的提高下一代Altera FPGA的密度和I/O性能，并進(jìn)一步鞏固相對(duì)于ASIC和ASSP的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。Altera總裁、主席兼CEO John Daane評(píng)論說：“隨著向下一工藝節(jié)點(diǎn)的邁進(jìn)，Altera的這些創(chuàng)新技術(shù)將引領(lǐng)業(yè)界超越摩爾定律，解決帶寬挑戰(zhàn)，同時(shí)滿足成本和功耗要求?！?/p>

　　賽靈思可編程平臺(tái)開發(fā)全球高級(jí)副總裁 Victor Peng 指出：“在 28 nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)上，靜態(tài)功耗是器件總功耗的重要組成部分，有時(shí)甚至是決定性的因素。由我們選擇了TSMC和三星的高介電層/金屬柵 HKMG高性能低功耗工藝技術(shù)，以使新一代 FPGA 能最大限度地降低靜態(tài)功耗，確保發(fā)揮28 nm技術(shù)所帶來的最佳性能和功能優(yōu)勢(shì)?！辟愳`思28nm工藝技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品將于 2010 年第四季度上市。

　　基帶處理器

　　規(guī)模最大的fabless企業(yè)高通資深副總裁兼通訊科技總經(jīng)理Jim Clifford表示，高通借由領(lǐng)先業(yè)界的整合、兼具功耗及成本效益的產(chǎn)品，為客戶帶來“利用最少資源，獲得更多效益”的重要優(yōu)勢(shì)，其關(guān)鍵在于與Foundny的緊密合作，現(xiàn)在更進(jìn)一步延伸至低耗電、低漏電的28nm進(jìn)行量產(chǎn)。28nm工藝密度可較前一代工藝高出一倍，讓進(jìn)行移動(dòng)計(jì)算的半導(dǎo)體器件能在更低耗電下提供更多功能。高通與TSMC目前在28nm的合作包括HKMG高效能工藝技術(shù)以及SiON的低耗電高速工藝技術(shù)。此外，高通預(yù)計(jì)于2010年中投產(chǎn)首批 28nm產(chǎn)品。

　　出貨量最大的Fabless企業(yè)—博通公司的運(yùn)作和中央工程執(zhí)行副總裁Neil Y. Kim認(rèn)為：“我們有計(jì)劃向下一代的制程技術(shù)轉(zhuǎn)移。博通公司也正在研發(fā)下一代制程技術(shù)的設(shè)計(jì)平臺(tái)，向先進(jìn)制程參數(shù)轉(zhuǎn)移的首要原因就是它可以提升性能、降低功耗、減小芯片尺寸，并且實(shí)現(xiàn)更高的集成度。我們的評(píng)估顯示下一代先進(jìn)制程可以提供上述所有好處?！睂?duì)于博通而言，由于產(chǎn)品線相對(duì)比較廣，因此Kim介紹，博通會(huì)根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行不同產(chǎn)品的評(píng)估。大部分采用28/32nm制程技術(shù)的產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力，根據(jù)市場(chǎng)需要博通已經(jīng)做好準(zhǔn)備迎接新制程技術(shù)的采用，28nm工藝可以為手機(jī)和其他應(yīng)用提供更高的帶寬和更低的能耗。此外，新工藝還將持續(xù)著力于實(shí)現(xiàn)更高程度的系統(tǒng)集成并推動(dòng)融合。隨著融合不斷的推進(jìn)，擁有更強(qiáng)大IP的公司可以更受益于新的制程技術(shù)。由于設(shè)計(jì)的復(fù)雜性產(chǎn)品研發(fā)的平均成本將會(huì)繼續(xù)提升，他們會(huì)要求更多的資源、計(jì)算和存儲(chǔ)。這就像是提高了入門成本，但是相信消費(fèi)者也更快地意識(shí)到新工藝的好處。

　　未來：全代CPU和半代SoC?

　　按照摩爾定律的指引，多年來制程更新的尺寸都是前一代的0.7倍，隨著存儲(chǔ)器行業(yè)不斷在PC的推動(dòng)下快速成長，存儲(chǔ)器逐漸超越CPU成為制程工藝的領(lǐng)導(dǎo)者，而存儲(chǔ)顆粒的尺寸直接決定了存儲(chǔ)器單位面積上的存儲(chǔ)容量，這就讓存儲(chǔ)器廠商在如何縮減工藝尺寸上絞盡腦汁。于是，誕生了一個(gè)比標(biāo)準(zhǔn)工藝節(jié)點(diǎn)全代工藝更高密度的工藝，與其同屬一代工藝而工藝尺寸只有全代的0.9。毫無疑問，這樣的變化對(duì)Fab的改進(jìn)不大，投入可以接受，卻可以提供密度為全代工藝1.24倍的芯片，對(duì)客戶來說，在成本支出不大的情況下可以讓其產(chǎn)品更有性能競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于這樣的革新，某廠商賦予其一個(gè)帶有些許感情色彩的稱呼：半代!

　　隨著所有Foundry齊齊轉(zhuǎn)向28nm的“半代”工藝，半導(dǎo)體極有可能以制程分成兩個(gè)陣營，對(duì)于需要緊跟制程革新腳步的應(yīng)用芯片來說，芯片的種類將直接決定了采用的制程工藝，由于大部分選擇了代工，SoC及更接近SoC的FPGA等將絕大部分以“半代”工藝出現(xiàn)，而CPU依然在Intel的堅(jiān)守下停留在“全代”工藝。當(dāng)然，還有些許疑問等待未來證實(shí)：擁有CPU生產(chǎn)訂單的GF是否會(huì)同時(shí)兼顧全代和半代兩個(gè)陣營，還是將AMD的CPU推進(jìn)到半代工藝;Intel重兵出擊的SoC產(chǎn)品，比如Atom處理器等低功耗芯片，是繼續(xù)堅(jiān)持Intel的全代工藝還是轉(zhuǎn)向更主流的SoC半代工藝。

　　32nm的硝煙剛剛開始，22nm工藝的路線圖也日漸清晰。舊金山秋季IDF 2009上，Intel總裁兼CEO Paul Otellini就展示了世界上第一塊基于22nm工藝的晶圓，并宣布將于2011年下半年發(fā)布相應(yīng)的處理器產(chǎn)品，開發(fā)代號(hào)Ivy Bridge。展示的測(cè)試晶圓采用22nm工藝結(jié)合第三代高K金屬柵極HK+MG晶體管技術(shù)、193nm波長光刻設(shè)備制造而成，其上既有SRAM單元也有邏輯電路，并且切割出來的芯片已經(jīng)可以實(shí)際工作，將成為Intel未來22nm處理器的基礎(chǔ)。4月14日，TSMC蔣尚義博士談到TSMC20nm工藝將比22nm工藝擁有更優(yōu)異的柵密度以及芯片性價(jià)比，為先進(jìn)技術(shù)芯片的設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)可靠、更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的工藝平臺(tái)。此外，20nm工藝預(yù)計(jì)于2012年下半開始導(dǎo)入生產(chǎn)。TSMC20nm工藝系在平面電晶體結(jié)構(gòu)工藝planar process的基礎(chǔ)上采用強(qiáng)化的高介電值/金屬閘HKMG、創(chuàng)新的應(yīng)變硅strained silicon與低電阻/超低介電值銅導(dǎo)線low-resistance copper ultra-low-k interconnect等技術(shù)。同時(shí)，在其他晶體管結(jié)構(gòu)工藝方面，例如鰭式場(chǎng)效晶體管FinFet及高遷移率high-mobility元件，也展現(xiàn)了刷新記錄的可行性feasibility指標(biāo)結(jié)果。從技術(shù)層面來看，由于已經(jīng)具備了創(chuàng)新微影技術(shù)以及必要的布局設(shè)計(jì)能力，TSMC因此決定直接導(dǎo)入20nm工藝。

　　如此看來，IDM與Foundry之間已經(jīng)明顯出現(xiàn)制程節(jié)點(diǎn)的不同，這一趨勢(shì)將持續(xù)存在下去。現(xiàn)在尚不能評(píng)價(jià)半代和全代工藝哪個(gè)更適合半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，至少半代總算是一種技術(shù)上的進(jìn)步，只是做出半代還是全代選擇的權(quán)利還是應(yīng)該留給芯片設(shè)計(jì)者，在選擇中去體驗(yàn)兩種技術(shù)的不同也許對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說才是更健康的發(fā)展之路。

來源:電子產(chǎn)品世界

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