22nm制程風(fēng)波再起

作者：暢秋

原本波瀾不驚的22nm制程市場，是否會因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/manufacturer/1000203/">英特爾的殺入，以及臺積電的擴(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)科會在“Intel 16”制程工藝、約等同于臺積電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CPU——Ivy Bridge。

22nm制程的出現(xiàn)和普及，滿足了市場上相當(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，相對而言，與28nm、16nm/14nm相比，22nm制程的市場規(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：以臺積電為代表的平面型（planar，相對于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，會有與臺積電平面型22nm工藝不同的性能表現(xiàn)，很可能會優(yōu)于后者，且英特爾的代工業(yè)務(wù)處于發(fā)展期，價(jià)格會比較實(shí)惠，這對于聯(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)間也會少很多。

臺積電的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，臺積電22nm（圖中為20nm，是基于22nm的升級版本）制程的營收占比幾乎可以忽略不計(jì)了。

不過，最近兩年的市場行情，對于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積電，2022上半年，臺積電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積電進(jìn)行溝通，希望能獲得與市場需求相匹配的產(chǎn)能支持。在這樣的背景下，臺積電也在擴(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。

除了臺積電，中國臺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)平臺上享受這兩種技術(shù)的優(yōu)勢。另外，該廠商還開發(fā)了22nm制程的ReRAM技術(shù)平臺和22nm嵌入式磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存（eMRAM）制程平臺，可應(yīng)用于人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）相關(guān)產(chǎn)品。

與臺積電的策略類似，這家廠商也開始在中國臺灣以外地區(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)和車用電子大趨勢帶動(dòng)，它對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)是臺積電，后者的代表企業(yè)是GlobalFoundries，由于GlobalFoundries和臺積電的制程工藝發(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。

但是，隨著英特爾強(qiáng)勢殺入全球晶圓代工市場，特別是聯(lián)發(fā)科宣布采用該公司22nm制程的升級版本代工其相關(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，很可能會攪動(dòng)原本比較平靜的22nm制程芯片市場，未來發(fā)展值得關(guān)注。