作者:暢秋
原本波瀾不驚的22nm制程市場(chǎng),是否會(huì)因?yàn)橛⑻貭柕臍⑷?,以?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8F%B0%E7%A7%AF%E7%94%B5/">臺(tái)積電的擴(kuò)產(chǎn)而熱鬧起來?
7月25日,聯(lián)發(fā)科發(fā)布重磅消息,這家長年在臺(tái)積電投片,并已成為后者第三大客戶的頭部IC設(shè)計(jì)廠商,宣布未來將在英特爾投片。
根據(jù)雙方協(xié)議,聯(lián)發(fā)科會(huì)在“Intel 16”制程工藝、約等同于臺(tái)積電22nm制程的產(chǎn)線投片,該公司財(cái)務(wù)長顧大為指出,未來可能會(huì)下單英特爾的產(chǎn)品,包括智能電視、Wi-Fi芯片,都是以成熟制程為主。對(duì)此,一名半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分析師指出,雖然目前全球的22nm制程產(chǎn)能相對(duì)不缺貨,但從中期來看,可能因?yàn)椴糠中略霎a(chǎn)能未能如期量產(chǎn),而出現(xiàn)缺貨狀況。
此次,除了聯(lián)發(fā)科采用英特爾晶圓代工服務(wù)吸睛之外,22nm制程工藝再一次登上了行業(yè)新聞?lì)^條。
22nm是繼28nm半節(jié)點(diǎn)之后的全節(jié)點(diǎn)制程工藝。談到22nm制程,要追溯到2008年,當(dāng)時(shí),業(yè)界首次出現(xiàn)了采用該制程工藝的RAM存儲(chǔ)器,但彼時(shí)還未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。到了2012 年,英特爾公司推出了第一款采用22nm制程工藝的消費(fèi)級(jí)CPU——Ivy Bridge。
22nm制程的出現(xiàn)和普及,滿足了市場(chǎng)上相當(dāng)多IC設(shè)計(jì)廠商的實(shí)際需求。28nm之后,許多廠商希望轉(zhuǎn)移到更高級(jí)節(jié)點(diǎn),但過高的成本和風(fēng)險(xiǎn),使得很多IC設(shè)計(jì)廠商對(duì)16nm/14nm望而卻步。Gartner的數(shù)據(jù)顯示,28nm制程芯片的平均設(shè)計(jì)成本為3000萬美元,16nm/14nm約為8000萬美元,而設(shè)計(jì)一個(gè)7nm芯片要花費(fèi)2.71億美元。這樣,許多廠商停留在了28nm及以上的成熟制程,資金更充足的可能會(huì)轉(zhuǎn)移到16nm/14nm及更先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)。
還有一些廠商想要獲得性能提升,但無法承受16nm/14nm的價(jià)格,此時(shí),22nm脫穎而出。不過,相對(duì)而言,與28nm、16nm/14nm相比,22nm制程的市場(chǎng)規(guī)模還是小的。
群雄逐鹿22nm
由于22nm制程非常適用于汽車、物聯(lián)網(wǎng)和無線通信等應(yīng)用,近些年,英特爾、GlobalFoundries、臺(tái)積電等廠商都在開發(fā)22nm制程工藝。不過,不同廠商研發(fā)的22nm工藝各不相同,大致可分為三種版本:以臺(tái)積電為代表的平面型(planar,相對(duì)于3D的FinFET而言)CMOS工藝;GlobalFoundries 的平面FD-SOI工藝;以英特爾為代表的低功耗22nm FinFET工藝。
英特爾開拓22nm FinFET
雖說22nm比32nm的集成度提高了,但工藝成本也明顯增加了。英特爾的策略與眾多廠商明顯不同,該公司進(jìn)行了變革,不走傳統(tǒng)的平面型工藝路線,而是采用3D架構(gòu),也就是tri-gate路線。不同于臺(tái)積電和三星,英特爾在22nm節(jié)點(diǎn)就采用了FinFET工藝了,而前兩者是在16nm/14nm節(jié)點(diǎn)才采用FinFET架構(gòu)的。
此次,聯(lián)發(fā)科選擇與英特爾的代工業(yè)務(wù)合作,并且采用其“Intel 16”制程工藝,也是一種嘗試,,即采用該公司的FinFET工藝生產(chǎn)電視SoC和Wi-Fi芯片,會(huì)有與臺(tái)積電平面型22nm工藝不同的性能表現(xiàn),很可能會(huì)優(yōu)于后者,且英特爾的代工業(yè)務(wù)處于發(fā)展期,價(jià)格會(huì)比較實(shí)惠,這對(duì)于聯(lián)發(fā)科而言是個(gè)不錯(cuò)的選擇。不過,實(shí)際情況如何,還要等到量產(chǎn)后才能見分曉。
平面型22nm制程有望迎來新機(jī)遇
平面型22nm制程的代表企業(yè)是臺(tái)積電。相比于FinFET工藝版本的22nm 制程,平面型的難度較低,研發(fā)成本和時(shí)間也會(huì)少很多。
臺(tái)積電的22nm超低功耗(22ULP)技術(shù)基于該公司28nm技術(shù)開發(fā),并于2018年第四季度完成了所有工藝認(rèn)證。與28nm高性能(28HPC)工藝相比,22ULP可使芯片面積減少10%,可使芯片性能提升30%,或功耗降低30%。此外,臺(tái)積電還于2018年第四季度完成了22nm超低泄漏(22ULL)技術(shù)的開發(fā),該工藝可以實(shí)現(xiàn)更低的功耗,主要用于物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備芯片制造。
然而,在臺(tái)積電的各種制程工藝中,22nm的占比不大,這在該公司2020和2021年的財(cái)報(bào)中有體現(xiàn),如下圖所示。
可以看出,臺(tái)積電22nm(圖中為20nm,是基于22nm的升級(jí)版本)制程的營收占比幾乎可以忽略不計(jì)了。
不過,最近兩年的市場(chǎng)行情,對(duì)于22nm制程比較友好,未來產(chǎn)能需求增加預(yù)期正在提升,例如,翱捷科技表示,該公司的主要晶圓代工伙伴是臺(tái)積電,2022上半年,臺(tái)積電22nm制程產(chǎn)能仍然呈現(xiàn)緊張狀態(tài),翱捷科技一直在積極與臺(tái)積電進(jìn)行溝通,希望能獲得與市場(chǎng)需求相匹配的產(chǎn)能支持。在這樣的背景下,臺(tái)積電也在擴(kuò)充相應(yīng)產(chǎn)能,該公司正在日本新建的、計(jì)劃于2024年投入運(yùn)營的晶圓廠,就是提供22nm/28nm制程產(chǎn)能的。
除了臺(tái)積電,中國臺(tái)灣另一家晶圓代工大廠也基于其28nm開發(fā)出了22nm工藝,與28nm HKMG工藝相比,該廠商22nm增益達(dá)10%,功率/性能比更好,射頻性能增強(qiáng)。另外,該廠商開發(fā)出了22nm超集結(jié)技術(shù),在同一平臺(tái)上有ULP和ULL選項(xiàng),該技術(shù)可支持1.0V~0.6V電壓,客戶可以在一個(gè)SoC設(shè)計(jì)平臺(tái)上享受這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。另外,該廠商還開發(fā)了22nm制程的ReRAM技術(shù)平臺(tái)和22nm嵌入式磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存(eMRAM)制程平臺(tái),可應(yīng)用于人工智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT)相關(guān)產(chǎn)品。
與臺(tái)積電的策略類似,這家廠商也開始在中國臺(tái)灣以外地區(qū)擴(kuò)充較為成熟制程的產(chǎn)能,它選擇的地點(diǎn)是新加坡。今年2月,該廠商董事會(huì)通過了在新加坡Fab12i廠區(qū)擴(kuò)建一座全新晶圓廠計(jì)劃,新廠第一期的月產(chǎn)能規(guī)劃為3萬片晶圓(12英寸),制程主要為22nm/28nm,預(yù)計(jì)2024年底開始量產(chǎn)。
該廠商表示,受5G、物聯(lián)網(wǎng)和車用電子大趨勢(shì)帶動(dòng),它對(duì)22nm/28nm制程需求的前景持樂觀態(tài)度,因此,新加坡新廠所擴(kuò)增的產(chǎn)能也簽訂了長期的供貨合約,以確保2024年后對(duì)客戶產(chǎn)能的供應(yīng)。該廠商期望這座新廠能在滿足這些市場(chǎng)強(qiáng)勁需求上扮演重要角色,特別是協(xié)助緩解22nm/28nm晶圓產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性短缺狀況。
在生態(tài)系統(tǒng)方面,特別是EDA和IP的支持必不可少。Arm為臺(tái)積電等廠商的22nm 工藝開發(fā)了物理 IP,包括標(biāo)準(zhǔn)單元庫、通用I/O和內(nèi)存編譯器。EDA方面,三大EDA廠商都支持22nm工藝技術(shù)。
FD-SOI另辟蹊徑
隨著制程節(jié)點(diǎn)的微縮,傳統(tǒng)的平面型CMOS工藝已經(jīng)難以滿足微縮要求,正因如此,才出現(xiàn)了3D結(jié)構(gòu)的FinFET工藝,但漏電流是FinFET無法回避的短板,要想降低功耗,就需要有新的工藝技術(shù),F(xiàn)D-SOI(Fully Depleted SOI,全耗盡SOI)應(yīng)運(yùn)而生。
FD-SOI晶體管,硅薄膜限定了源漏結(jié)深,同時(shí)也限定了源漏結(jié)的耗盡區(qū),從而改善了DIBL(Drain Induced Barrier Lowering,漏致勢(shì)壘降低) 等短溝道效應(yīng),改善了器件的亞閾特性,降低了電路的靜態(tài)功耗。此外,F(xiàn)D-SOI晶體管無需溝道摻雜,可以避免 RDF(Random Dopants Fluctuation,隨機(jī)摻雜漲落) 等效應(yīng),從而保持穩(wěn)定的閾值電壓,同時(shí)還可以避免因摻雜而引起的遷移率退化。與FinFET 相比,F(xiàn)D-SOI技術(shù)還有一個(gè)重要賣點(diǎn),即先進(jìn)的負(fù)偏壓(back bias)技術(shù)。
低漏電特性使得FD-SOI非常適合需要低功耗且成本敏感的應(yīng)用。
下圖所示為28nm HKMG(High-K Metal Gate)與22nm FD-SOI(22FDX)兩種不同工藝的功耗與頻率量化對(duì)比圖。橙色曲線為 28nm HKMG,中間那條曲線為 22nm FD-SOI(不做bias),最上面藍(lán)色曲線為22nm FD-SOI(采用正向 bias)。
從圖中可以看出,在同樣頻率下,采用22FDX(不做bias)工藝的功耗比28nm HKMG節(jié)省了近50%,而采用同樣頻率和工藝的22FDX,有FBB(Forward Body Biasing)的功耗比沒有采用偏壓技術(shù)的節(jié)省了近50%的功耗。
FD-SOI的忠實(shí)玩家非GlobalFoundries莫屬了,特別是22nm FD-SOI,該公司是第一個(gè)嘗鮮的,上文的22FDX也正是GlobalFoundries標(biāo)志性的工藝技術(shù)。據(jù)悉,22FDX在pFET溝道中集成了high-k/metal-gate以及SiGe,以提高驅(qū)動(dòng)電流。如果需要,SiGe溝道可以用硅替代以減少泄漏。與28nm相比,22FDX的性能提高了30%,功耗降低了45%。
在22FDX的基礎(chǔ)上,GlobalFoundries還在開發(fā)12nm的FD-SOI,原計(jì)劃在2022年正式推出。
除了GlobalFoundries,意法半導(dǎo)體(ST)和三星也非??春肍D-SOI,三星正在開發(fā)18nm FD-SOI技術(shù)。
在市場(chǎng)和應(yīng)用層面,22nm或18nm FD-SOI與FinFET 工藝技術(shù),特別是16nm/14nm制程是互補(bǔ)的,而非競爭關(guān)系,它們服務(wù)于不同市場(chǎng)和應(yīng)用,幾乎沒有重疊。
結(jié)語
在英特爾重金殺入晶圓代工市場(chǎng)之前,在22nm這個(gè)節(jié)點(diǎn),原本是波瀾不驚的狀態(tài)。首先,全球22nm制程的規(guī)模相對(duì)較小,而且又分為傳統(tǒng)平面型CMOS和FD-SOI工藝,前者的代表企業(yè)是臺(tái)積電,后者的代表企業(yè)是GlobalFoundries,由于GlobalFoundries和臺(tái)積電的制程工藝發(fā)展戰(zhàn)略迥異,現(xiàn)在這兩家的競爭關(guān)系已經(jīng)很弱了,而中國臺(tái)灣另一家晶圓代工大廠與GlobalFoundries在22nm處的競爭也較弱,因?yàn)樗鼈兊?2nm工藝路線不同,一個(gè)是傳統(tǒng)平面型CMOS,另一個(gè)是FD-SOI。因此,總體來看,全球22nm制程工藝原本沒有出現(xiàn)強(qiáng)競爭態(tài)勢(shì)。
但是,隨著英特爾強(qiáng)勢(shì)殺入全球晶圓代工市場(chǎng),特別是聯(lián)發(fā)科宣布采用該公司22nm制程的升級(jí)版本代工其相關(guān)芯片,另外,各大晶圓代工廠不斷擴(kuò)充成熟制程產(chǎn)能,其中就包括22nm,臺(tái)積電在日本,另一家在新加坡建新廠是典型代表。所有這些湊在一起,很可能會(huì)攪動(dòng)原本比較平靜的22nm制程芯片市場(chǎng),未來發(fā)展值得關(guān)注。