FinFET引爆投資熱　半導體業(yè)啟動新一輪競賽

　　半導體業(yè)界已發(fā)展出運用FinFET的半導體制造技術，對制程流程、設備、電子設計自動化、IP與設計方法產(chǎn)生極大變化。特別是IDM業(yè)者與晶圓代工廠正競相加碼研發(fā)以FinFET生產(chǎn)應用處理器的技術，促使市場競爭態(tài)勢急速升溫。

　　過去數(shù)10年來，互補式金屬氧化物半導體(CMOS)平面電晶體一直是電子產(chǎn)品的主要建構材料，電晶體幾何結構則一代比一代小，因此能開發(fā)出高效能且更便宜的半導體晶片。

　　然而，電晶體在空間上的線性微縮已達極限，電晶體縮小到20奈米(nm)以下，會降低通道閘極控制效果，造成汲極(Drain)到源極(Source)的漏電流增加，并引發(fā)不必要的短通道效應(Short Channel Effect)，而電晶體也會進入不當關閉狀態(tài)，進而增加電子裝置待機耗電量。所幸立體式的鰭式電晶體(FinFET)技術出現(xiàn)后發(fā)揮作用，在FinFET結構中，由于通道被三層閘極包覆，可更有效壓制關閉狀態(tài)漏電流。

　　三層閘極還能讓裝置在「開機狀態(tài)」下增強電流，又稱為驅動電流(Drive Current)。這些優(yōu)點能轉換為更低的耗電與更高的裝置效能。3D FinFET裝置預料將比傳統(tǒng)使用2D平面電晶體的產(chǎn)品更為精實，如此一來晶粒的整體尺寸也會更小。整體而言，F(xiàn)inFET技術能減少晶片漏電流、提高效能并縮小晶粒尺寸，將成為未來10年最重要的半導體制造技術，帶動系統(tǒng)單晶片(SoC)產(chǎn)業(yè)成長。

　　FinFET點燃晶圓代工廠戰(zhàn)火

　　綜觀全球市場，英特爾(Intel)是唯一完成FinFET制程技術實作的制造商。該公司自2012年初即采用自有的第一代22奈米FinFET技術，生產(chǎn)Ivy Bridge中央處理器(CPU)。雖然目前英特爾以FinFET技術生產(chǎn)的SoC僅限于PC和其特有的伺服器應用產(chǎn)品，然而其已宣布將延伸至行動裝置應用處理器的開發(fā)。英特爾更可望依循摩爾定律(Moore’s Law)，于2013年第四季前將FinFET生產(chǎn)移轉至第二代14奈米制程。

　　未來幾年內，愈來愈多頂尖IC設計業(yè)者將擴大投資并導入FinFET技術，以制造更先進的智慧型手機和平板應用處理器(圖1)。為因應客戶需求，臺積電、格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)與三星(Samsung)等主要晶圓代工廠已積極排定FinFET量產(chǎn)時程，最快可望于2013年第三季開始試產(chǎn)FinFET制程，準備好投入量產(chǎn)則將在2014年第三季以后，如圖2為英特爾與晶圓代工業(yè)者的FinFET制程生產(chǎn)時間表預測;屆時，IC設計業(yè)者與晶圓代工廠合作下，將推出以FinFET技術為基礎的應用處理器，與IDM業(yè)者共同角逐市場商機。

　　圖1 2007～2017年半導體委外服務產(chǎn)值預測　　資料來源：Gartner

　　圖2 各大晶圓廠FinFET量產(chǎn)時程表　資料來源：Gartner(05/2013)

　　在FinFET制程技術方面，多數(shù)晶圓代工廠選擇在晶圓前段閘極制程(FEOL)采用14奈米FinFET技術，后段互連制程(BEOL)則仍使用20奈米。就某種程度而言，混合式的第一代14奈米FinFET制程，其實就是20奈米電晶體技術，再加上能持續(xù)提升效能與耗電效率的新型裝置結構。

　　此種混搭制作方法或許不能在設計上縮小晶粒尺寸，但效能提高、減少電力消耗與縮短上市所需時間等優(yōu)點，足以讓許多一線IC設計業(yè)者決定采用FinFET技術。此外，臺積電與格羅方德最近皆宣布，有意在14奈米FinFET技術上線2年后推動10奈米制程。

　　檢視各家晶圓廠FinFET量產(chǎn)時間表，以及用來指涉16、14及10奈米制程的相關名稱，因其系出于行銷需求，所以不具重大意義。一般咸認，晶圓代工廠的第一代16/14奈米FinFET制程會較近似英特爾的22奈米制程，而晶圓代工廠10奈米的第二代FinFET制程，則比較接近英特爾14奈米的第二代FinFET技術。

　　復雜架構掀波瀾　FinFET引發(fā)產(chǎn)業(yè)連鎖反應

　　比較不同廠商的FinFET技術時，須考慮下列因素，首先是安謀國際(ARM)核心的晶片尺寸、靜態(tài)隨機存取記憶體(SRAM)的晶粒大小(Cell Size)、設計規(guī)則、單元資料庫內軌道的數(shù)量、速度及電力消耗。

　　無論頂尖IC設計業(yè)者采用何種FinFET技術制造行動應用處理器，都會在晶片效能與耗能方面有所進展，因為平面技術幾乎已達到極限，而且，一旦某家大型IC設計公司決定采用某種先進技術，便可能會帶動連鎖反應，促使其他同業(yè)加緊導入同款制程技術。

　　舉例來說，高通(Qualcomm)決定采用28奈米多晶矽氮氧化矽(SiON)技術時，其他IC設計公司也一窩蜂跟進，讓28奈米低耗能制程變成極受歡迎的技術節(jié)點。

　　不過，目前市場上尚無IC設計業(yè)者正式宣布將以FinFET技術生產(chǎn)應用處理器的計劃，但相關研發(fā)作業(yè)正密切進行中，預估1年內就會有大廠根據(jù)FinFET技術推出新款行動應用處理器。以下幾家晶片大廠的技術與產(chǎn)品發(fā)展藍圖將顯著影響其他IC設計業(yè)者。

　　英特爾日漸重視行動處理器

　　2013年6月，英特爾根據(jù)新型微架構推出全新系列CPU，無論就時脈效能或低耗電而言均優(yōu)于現(xiàn)有的Ivy Bridge設計，這個名為Haswell的新系列晶片，將采用(至少一開始會)與目前Ivy Bridge晶片相同的22奈米FinFET制程。

　　與此同時，英特爾正積極尋求方法，希望利用其制造技術優(yōu)勢搭上行動產(chǎn)品成長熱潮。確實，除Haswell外，英特爾尚推出代號為Silvermont的微架構，將用于采用22奈米FinFET制程的三款應用處理器，包括平板專用的Bay Trail、智慧手機專用的Merrifield，以及微伺服器(Microserver)專用的Avoton;第四款產(chǎn)品Rangeley則是為聯(lián)網(wǎng)裝置所設計。與32奈米方案相比，Silvermont能讓SoC的峰值效能提升三倍，且相同效能下可減少五倍耗能。

　　至于14奈米FinFET技術，英特爾的Broadwell與Cherry Trail可能成為次世代系統(tǒng)單晶片，將利用代號Airmont的架構，在同一個晶粒上結合CPU、GPU和微控制器(MCU)。這個新型微架構將是英特爾與安謀國際big.LITTLE架構一決高下的重要利器。 顯而易見，英特爾似乎在技術、設計與生產(chǎn)能力上略勝一籌，準備以自家晶片在行動領域帶動成長。不過，英特爾新任執(zhí)行長在未來的經(jīng)營上仍充滿挑戰(zhàn)，尤其是行動裝置業(yè)務方面，為與高通、聯(lián)發(fā)科競爭，其須改變自身組織、降低生產(chǎn)成本、提高晶圓廠產(chǎn)能利用率，還要部署更多的銷售與現(xiàn)場工程師，才能提高勝算。

　　蘋果成晶圓廠最具價值客戶之一

　　蘋果在過去幾乎將所有應用處理器(A4、A5、A5 R2、A6與A6X)交由三星旗下大型積體電路(LSI)事業(yè)的晶圓廠代工，利用45和32奈米制程生產(chǎn)。近期，該公司為Apple TV設計的新款處理器A5 R3，亦采用三星32奈米制程，而截至2013上半年為止，蘋果尚未針對32奈米以下制程，甚至是FinFET技術推出應用處理器。

　　盡管如此，近日盛傳，蘋果部分應用處理器生產(chǎn)訂單將轉向臺積電，且下一代A7晶片將以20奈米平面技術制造。亟欲推動16奈米FinFET制程的臺積電，以及積極研發(fā)14奈米制程的三星，都將蘋果視為FinFET技術最有價值的客戶之一，毫無疑問地，未來蘋果應用處理器可能很快就會投靠FinFET陣營。

　　據(jù)顧能(Gartner)預估，2013年蘋果所有應用處理器將需要七十萬片12寸晶圓，這樣的量需要一家以上的12寸晶圓廠才足以供應。蘋果決定與其他制造商合作，將對半導體制造業(yè)中晶圓廠競爭態(tài)勢帶來明顯沖擊。

　　事實上，蘋果有了與三星興訟的經(jīng)驗之后，最好選擇一家純做晶圓代工的合作夥伴，能大量供貨并為其量身訂作具特殊優(yōu)勢的FinFET制程，例如更嚴謹?shù)脑O計規(guī)則或更好的電晶體規(guī)格。雖說蘋果若有任何晶圓供應商的變動都會進行長期規(guī)畫，但要在2?3年完全切斷三星供貨，并全然轉向其他晶圓代工廠還是太過冒險。

　　隨著純晶圓代工業(yè)者技術制造持續(xù)提升，蘋果亦不須與英特爾合作，且毋須擔心英特爾制程技術較佳，因為英特爾在行動晶片領域的實力仍待驗證。蘋果短期內的業(yè)務重點應放在如何提高i系列終端產(chǎn)品銷售量，一旦找到可靠的晶片供應商，其應用處理器的功能特色就比較不重要;這一點與高通大不相同，后者須提供特色更多的應用處理器，以應付不同的手機制造商客戶。

　　三星善用晶圓整合制造服務優(yōu)勢

　　三星Exynos Octa與Hexa這兩款應用處理器已采用28奈米平面技術;未來Galaxy S5與Note 4還可能采用20奈米平面技術生產(chǎn)的晶片，足見其積極導入先進制程節(jié)點的決心。不過，三星尚未傳出要以14奈米FinFET技術生產(chǎn)自家應用處理器，但其約25%的手機與平板使用自家處理器，每年銷售量成長將近20%的頂級手機產(chǎn)品，更高達45%比重，因此三星勢必計劃在未來的應用處理器上采用自己的FinFET技術。

　　無庸置疑，垂直整合服務是三星在制造上的一大優(yōu)勢，從邏輯晶片到記憶體，一直到測試組裝、終端行動裝置，還有網(wǎng)路基礎建設設備都能提供。三星還可利用旗下行動裝置事業(yè)對晶圓代工產(chǎn)業(yè)的采購能力，這樣晶圓代工客戶就能為三星行動產(chǎn)品供應晶片;此外，其電信部門亦提供基礎建設設備，可用來推廣自家晶片。由此可推估，蘋果之所以無法輕易切斷三星LSI供貨，原因之一就是臺積電與英特爾無法提供這種結合可靠記憶體晶片貨源的封裝測試支援。

　　在其他行動裝置相關半導體產(chǎn)品方面，三星也在各領域握有極高的市占率，包括驅動IC、CMOS影像感測器與電源管理IC。三星的晶圓代工廠很容易就能與目標顧客建立業(yè)務關系。

　　高通將驅動FinFET規(guī)格統(tǒng)一

　　至于目前的行動處理器一哥高通則將成為主導先進制程導入的關鍵。目前，Snapdragon 200到800系列是高通最新推出的應用處理器，全部采用臺積電28奈米高效能行動(HPM)制程技術，與前一代以28奈米低耗能制程生產(chǎn)的Snapdragon S4晶片相比，效能可望提升75%。下一階段，晶圓代工廠提供的20奈米平面技術由于制程范圍不足，因此僅有一般版本，無法提供高效能與低耗電等其他選項。

　　從縮短新款晶片上市所需時間的觀點來看，雖然高通持續(xù)移轉至20奈米節(jié)點的做法對產(chǎn)品效能提升有限，但高通將會成為采用晶圓代工廠20奈米平面技術的首批顧客之一。至于FinFET應該會成為一種長期技術，未來產(chǎn)品都為以它為基礎進行設計，而高通終將大量采用FinFET技術，以其在市場上的重要地位，對晶圓代工業(yè)者的技術研發(fā)具有極大影響力。

　　不像蘋果和三星生產(chǎn)晶片僅供內部使用，高通的晶片廣為蘋果、三星、諾基亞(Nokia)、BlackBerry、宏達電、樂金(LG)、中興及華為等業(yè)者所采用。高通晶片涵蓋各種應用，包括Snapdragon應用處理器、基頻處理器、收發(fā)器與無線連網(wǎng)Combo晶片，且已與主要晶圓代工廠建立良好的業(yè)務關系，帶來龐大的晶圓需求量，使其對晶圓廠極具影響力，通常愿意調整制程以迎合高通的需求。

　　正如前文所述，2012年即為高通帶動整個業(yè)界采用28奈米低耗能技術，未來，Gartner也預測，高通將帶動業(yè)界廣為采用FinFET技術，并促進晶圓廠全面統(tǒng)一FinFET技術規(guī)格，以加速晶片量產(chǎn)并控制成本。

　　一線處理器廠加速導入FinFET

　　在高通率先發(fā)難后，其他IC設計業(yè)者勢將積極跟進，如輝達(NVIDIA)、聯(lián)發(fā)科與展訊在非蘋平板、低價白牌手機或中國大陸的TD-SCDMA手機應用處理器市場中，占有率也相當高，自然不希望在技術上落后領先者太多。這幾家業(yè)者正積極導入28奈米制程，且因晶圓廠28奈米晶圓供貨狀況改善而受益，雖不急于采用FinFET技術，但就長期規(guī)畫來說，絕對有必要在內部建立起FinFET設計能力。

　　據(jù)Gartner在2013年第一季半導體產(chǎn)業(yè)展望報告中指出，由于行動處理器導入先進邏輯晶圓的需求攀升，行動裝置相關半導體營收已于2012年超過PC與筆電，預估未來半導體裝置需求主要來自行動裝置與固態(tài)硬碟(SSD);智慧型手機將在未來幾年呈現(xiàn)兩位數(shù)成長，平板的成長還將更強勁。

　　晶圓制造商持續(xù)縮小平面電晶體幾何結構，節(jié)能效率與速度的提升幅度卻愈來愈小;20奈米平面電晶體技術預計最多可較28奈米減少25%之耗電，相較之下前一代移轉后卻能節(jié)省35%以上。然而，從28奈米平面技術移轉到14奈米FinFET卻能省下超過50%的耗電。FinFET技術未來應用在CPU與行動應用處理器開發(fā)上，應該會比20奈米平面技術更受歡迎。

　　量產(chǎn)難度高　FinFET觸發(fā)設計新商機

　　盡管業(yè)界一致看好FinFET帶來的效益，但要支援FinFET技術，無論在制程、設計、IP與電子設計自動化(EDA)工具各方面都有眾多挑戰(zhàn)，且過去許多2D平面技術的經(jīng)驗不再適用于FinFET，這意謂著相關供應鏈業(yè)者必須有新的投資計劃。

　　從晶圓制程的觀點來看，不論是晶圓前段制程或后段制程都須達到原子級的準確蝕刻(Etching)，且要提升臨界尺度(Critical Dimension)控制、減少矽材的蝕刻損傷、增加化學機械研磨(CMP)及雙重曝光(Double Patterning)微影技術。另一大挑戰(zhàn)是必須加入中段制程(MOL)模組，以處理3D電晶體高深寬比(High-aspect Ratio)的訊號繞線(Signal Routing)。

　　從設計面來看，其他挑戰(zhàn)還包括3D建模工具的需求、能處理FinFET的模擬方法、寄生電容與寄生電阻的處理、新的可制性設計(DFM)模型與規(guī)則、單一寬度電晶體的設計、電晶體種類減少、電壓降低的處理，以及布局依賴(Layout-dependent)的設計，勢將帶動新一波半導體產(chǎn)業(yè)投資研發(fā)動能，做大市場大餅。

　　無庸置疑，F(xiàn)inFET技術將在未來10年帶動半導體業(yè)成長。由于智慧型手機與平板相關的半導體營收已超過PC，F(xiàn)inFET技術對行動產(chǎn)品也會日益重要。雖然FinFET會為晶圓制程技術與設計方法帶來極大變化，對晶圓廠、行動應用處理器設計公司、特殊應用IC設計服務商、電子設計自動化業(yè)者與IP供應商而言，移轉至FinFET技術的相關實作與支援都是未來帶動營收成長的關鍵所在。

　　利用FinFET技術提高邏輯SoC效能的時代已經(jīng)來臨，而FinFET低耗電的優(yōu)點，也促使主攻應用處理器的各大IC設計業(yè)者要求晶圓廠具備相關技術。為縮短與英特爾之間的技術差距，晶圓代工業(yè)者皆已加速研發(fā)FinFET技術，但路途仍滿布荊棘。IC設計公司應擬定策略以發(fā)展FinFET設計能力，同時留意晶圓代工業(yè)者投入FinFET技術的狀況，以及競爭對手在相關產(chǎn)品的規(guī)畫。