半導(dǎo)體制造：跟隨還是超越摩爾定律

　　2011年已經(jīng)過半，選擇在這個(gè)時(shí)候去談半導(dǎo)體制程工藝是個(gè)不錯(cuò)的時(shí)間點(diǎn)，在隨后的這個(gè)秋天和冬天，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將面臨一次全面的制程工藝大躍進(jìn)。按照最新消息，Intel的22nm和意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)、臺(tái)積電(TSMC)的28nm工藝都應(yīng)該在今年余下的幾個(gè)月里量產(chǎn)，而三星、臺(tái)聯(lián)電(UMC)和GF(Global Foundries)的28nm應(yīng)該不會(huì)晚于明年2季度。

　　IDM(獨(dú)立設(shè)計(jì)制造企業(yè))與Foundry(代工企業(yè))這么密集地更新制程，既是巧合也是必然。按照Intel的Tick-Tock(工藝年-構(gòu)架年)發(fā)展模式，單數(shù)年更新工藝制程，22nm是其下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)。而對(duì)于其他選擇28nm的晶圓廠來說，因?yàn)榧夹g(shù)研發(fā)的難度加大，28nm工藝直到今年才達(dá)到相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的良率，眾多晶圓廠才敢于公開宣布量產(chǎn)。

　　在這個(gè)半導(dǎo)體制程工藝即將面臨更新?lián)Q代之際，我們不妨從設(shè)計(jì)、制造和代工不同角度審視一下，迎接全新工藝的半導(dǎo)體企業(yè)的應(yīng)對(duì)策略。

　　新工藝新優(yōu)勢(shì)

　　新制程一直是半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的標(biāo)尺，而為產(chǎn)品帶來全新競(jìng)爭(zhēng)力則是企業(yè)傾注心血鉆研新技術(shù)最大的驅(qū)動(dòng)力。每一代的工藝進(jìn)步給半導(dǎo)體產(chǎn)品帶來的性能和功耗提升是明顯的。高效能、低耗電及更微小尺寸是半導(dǎo)體技術(shù)的三大發(fā)展趨勢(shì)，隨著便攜電子產(chǎn)品成為市場(chǎng)主流，幾乎所有集成電路的尺寸均朝更微小化發(fā)展。在同樣尺寸的硅片上，新制程讓制造商能夠增加更多的功能，提高芯片的運(yùn)行速度，或者降低功能成本。采用28nm先進(jìn)技術(shù)所帶來的主要好處是能滿足客戶對(duì)高效能、低耗電、微小化的市場(chǎng)需求。

　　作為除了Intel之外唯一堅(jiān)持工藝研發(fā)的通用芯片IDM，意法半導(dǎo)體高級(jí)執(zhí)行副總裁兼首席技術(shù)官Jean-Marc Chery談及制程進(jìn)步表示，在消費(fèi)電子市場(chǎng)上，機(jī)頂盒芯片(解碼器)、網(wǎng)關(guān)和3D(HD)TV是制程從 40 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)向32/28 nm節(jié)點(diǎn)升級(jí)的受益者，這些新制程可把芯片的處理性能提高30%左右，而功耗沒有任何增加。此外，更小的特征尺寸讓制造商能夠在每顆芯片上集成更多的處理單元，從而提高計(jì)算能力和處理性能，例如，給用戶帶來出色的高清3D TV體驗(yàn)。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)芯片方面，消費(fèi)者將獲得數(shù)據(jù)速率達(dá)到14-25G bit/s的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)傳輸速率比上一代技術(shù)節(jié)點(diǎn)的10-14G bit/s高出許多。

　　關(guān)于新工藝帶來的優(yōu)勢(shì)，TSMC中國區(qū)總經(jīng)理陳家湘介紹，28HP制程最先采用先進(jìn)的高介電層/金屬閘(HKMG)技術(shù)，相較于40nm制程，此項(xiàng)制程在相同漏電基礎(chǔ)上速度增快約25%，而在相同速度基礎(chǔ)上漏電亦可降低約50%。目前28nm制程區(qū)分為Gate-First(柵極最先)以及Gate-Last(柵極最后)二種方式。由于Gate-Last技術(shù)具有同時(shí)兼顧P-type及N-type晶體管臨界電壓(Vt)調(diào)整的最佳優(yōu)勢(shì)，TSMC已宣布在高效能及低耗電制程，為客戶采用Gate-Last技術(shù)。另一方面，TSMC在業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)地位奠基于“先進(jìn)技術(shù)、卓越制造、客戶伙伴關(guān)系”三位一體的差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2010年，TSMC已為客戶的28nm可編程邏輯門陣列(FPGA)提供了先進(jìn)的硅穿孔(Through Silicon Via)以及硅中介層(Silicon Interposer)的芯片驗(yàn)證(prototyping) 服務(wù)。藉由自身研發(fā)的硅穿孔通道(TSV)及與集成電路制造服務(wù)業(yè)者兼容的晶圓級(jí)封裝技術(shù)，TSMC承諾與客戶緊密合作開發(fā)符合成本效益的三維集成電路系統(tǒng)整合方案。

　　賽靈思的全新FPGA就是基于TSV技術(shù)的28nm新產(chǎn)品，該公司亞太區(qū)銷售及市場(chǎng)總監(jiān)張宇清坦言得益于28nm工藝技術(shù)，賽靈思推出了統(tǒng)一架構(gòu)，將整體功耗降低一半且具有業(yè)界最高容量(200萬邏輯單元)的7系列FPGA產(chǎn)品，不僅能實(shí)現(xiàn)出色的生產(chǎn)率，解決 ASIC 和 ASSP 等其他方法開發(fā)成本過高、過于復(fù)雜且不夠靈活的問題，使 FPGA 平臺(tái)能夠滿足日益多樣化的設(shè)計(jì)群體的需求。在 28 nm工藝節(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。由于提高可用系統(tǒng)性能和功能的關(guān)鍵在于控制功耗，因此為了實(shí)現(xiàn)最高功效，首先必須選用適合的工藝技術(shù)。賽靈思選擇了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)。與標(biāo)準(zhǔn)的高性能工藝技術(shù)相比，高性能低功耗工藝技術(shù)使得 FPGA 的靜態(tài)功耗降低了 50%，總功耗也減少 50%。同時(shí)，新一代開發(fā)工具通過創(chuàng)新時(shí)鐘管理技術(shù)可將動(dòng)態(tài)功耗降低 20%，此外，通過部分重配置技術(shù)的增強(qiáng)，幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步降低功耗并減少系統(tǒng)成本33%。