半導(dǎo)體材料與工藝：先進(jìn)節(jié)點(diǎn)之爭(zhēng)，哪家晶圓廠處于領(lǐng)先地位？

需要權(quán)衡的因素不僅僅是工藝擴(kuò)展；領(lǐng)導(dǎo)力可能因時(shí)而異，也可能因應(yīng)用而異。

晶圓制造領(lǐng)導(dǎo)力爭(zhēng)奪戰(zhàn)變得越來(lái)越復(fù)雜復(fù)雜，很難確定哪家公司在任何時(shí)候處于領(lǐng)先地位，因?yàn)樾枰獧?quán)衡的因素太多了。這在很大程度上反映了處于領(lǐng)先地位的客戶群的變化，以及對(duì)特定領(lǐng)域設(shè)計(jì)的推動(dòng)。過(guò)去，蘋果、谷歌、亞馬遜和Meta等公司購(gòu)買了最快的商用處理器。但在過(guò)去的五年里，這些系統(tǒng)公司一直在雇傭半導(dǎo)體硬件和軟件工程師團(tuán)隊(duì)，為特定數(shù)據(jù)類型定制架構(gòu)，以便通過(guò)擴(kuò)展大大超過(guò)可用的性能和功率。

這并沒(méi)有阻止臺(tái)積電、三星和英特爾繼續(xù)縮減功能，他們的路線圖也延伸到了1.x納米范圍。但這改變了他們競(jìng)爭(zhēng)的方式。領(lǐng)導(dǎo)力不再僅僅是流程幾何結(jié)構(gòu)。下一代技術(shù)現(xiàn)在包括從新型晶體管、互連材料和結(jié)構(gòu)到功率傳輸方案的所有方面。在某些情況下，可能需要靈活性，無(wú)論是硬件或軟件的可編程性，還是在大容量應(yīng)用中創(chuàng)建衍生設(shè)計(jì)的更簡(jiǎn)單方法。在其他情況下，這可能是一個(gè)掩模版大小的芯片上可以容納多少晶體管的問(wèn)題。盡管成本上升、功率和性能優(yōu)勢(shì)降低，但流程擴(kuò)展仍然很重要。然而，并不是每個(gè)應(yīng)用程序都需要它，它只是決定市場(chǎng)領(lǐng)先地位的越來(lái)越多的因素之一。事實(shí)上，選擇哪家公司在任何時(shí)候都處于領(lǐng)先地位可能需要一個(gè)產(chǎn)品的電子表格，而不僅僅是一個(gè)制造過(guò)程。對(duì)于一個(gè)客戶來(lái)說(shuō)重要的是什么，或者對(duì)于該客戶的特定設(shè)計(jì)，可能與對(duì)于另一個(gè)客戶而言重要的是不同的。臺(tái)積電業(yè)務(wù)發(fā)展高級(jí)副總裁張凱文表示：“有很多問(wèn)題需要解決，比如如何在系統(tǒng)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)，如何將所有東西進(jìn)行分區(qū)，并將它們整合在一起，但這些也代表著一個(gè)機(jī)會(huì)。整個(gè)行業(yè)需要找到一種方法來(lái)做得更好。我們必須在未來(lái)重新思考系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及如何最好地劃分這些東西。在未來(lái)，你會(huì)看到系統(tǒng)級(jí)的方法變得越來(lái)越重要，而不是單個(gè)芯片級(jí)的方法。這從軟件和軟件架構(gòu)一直到現(xiàn)在我可能會(huì)看到越來(lái)越多的重要參與者成為半導(dǎo)體客戶。

例如，在人工智能訓(xùn)練應(yīng)用中，目標(biāo)是將盡可能多的計(jì)算元素（通常是同質(zhì)的）塞進(jìn)一塊硅上。相比之下，在智能手機(jī)中，圖像處理等功能需要更多的邏輯，但并非所有功能都需要封裝在同一芯片上。在AR/VR眼鏡等應(yīng)用中，熱限制和性能要求非?？量?，且因使用情況而異，以至于公司正在試驗(yàn)各種不同的架構(gòu)，從平面芯片到具有復(fù)雜熱管理的3D-IC架構(gòu)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，一刀切不再適合所有人，這正在從根本上改變晶圓制造行業(yè)的動(dòng)態(tài)。UMC和格芯退出了14nm的規(guī)模競(jìng)爭(zhēng)（盡管GF后來(lái)已轉(zhuǎn)向12nm），轉(zhuǎn)而專注于汽車和5G等多種專業(yè)市場(chǎng)。從那時(shí)起，兩家公司都在滿負(fù)荷運(yùn)行，并計(jì)劃增加更多，他們正在EDA和制造設(shè)備公司的幫助下擴(kuò)展在成熟節(jié)點(diǎn)上可以完成的工作。格芯技術(shù)和研究高級(jí)副總裁Gregg Bartlett表示：“設(shè)備供應(yīng)商非常投入，應(yīng)用材料創(chuàng)建了ICAPS（物聯(lián)網(wǎng)、通信、汽車、電力和傳感器）該業(yè)務(wù)部門致力于非個(gè)位數(shù)納米相關(guān)技術(shù)，無(wú)論是寬帶隙材料還是與CMOS圖像傳感器相關(guān)的復(fù)合半成品或加工能力。他們?cè)陔x子注入機(jī)中需要極低的金屬含量。高級(jí)邏輯不在乎這一點(diǎn)。因此，摩爾定律縮放所需的工具功能沒(méi)有下降，它們已經(jīng)成為新的需求。對(duì)于其他四分之三的市場(chǎng)需求，有一個(gè)完整的路線圖?！?/span>即使在最前沿的節(jié)點(diǎn)，流程也變得非常不同，很難進(jìn)行比較。其中一些取決于終端市場(chǎng)。三星和臺(tái)積電（TSMC）繼續(xù)在消費(fèi)電子產(chǎn)品和個(gè)人電腦領(lǐng)域展開(kāi)角逐。與此同時(shí)，英特爾（Intel）繼續(xù)將重點(diǎn)放在服務(wù)器芯片上，經(jīng)常與臺(tái)積電競(jìng)爭(zhēng)，但它也越來(lái)越多地開(kāi)發(fā)用于軍用/航空應(yīng)用的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)芯片。所有這些產(chǎn)品都進(jìn)入了其他市場(chǎng)，隨著客戶要求更多定制解決方案，這些市場(chǎng)繼續(xù)分裂。因此，每個(gè)晶圓廠都在向其核心市場(chǎng)進(jìn)軍，同時(shí)在預(yù)算和機(jī)會(huì)允許的情況下向其他市場(chǎng)擴(kuò)張。三星正在將所有FET的柵極設(shè)置為3nm，而臺(tái)積電和英特爾則計(jì)劃堅(jiān)持使用3nm的finFET，轉(zhuǎn)而使用2nm的GAA FET。所有這些公司都在這些節(jié)點(diǎn)上開(kāi)發(fā)專門的流程，以及大量的半節(jié)點(diǎn)。這在很大程度上反映了無(wú)晶圓廠公司的巨大需求，這些公司希望用最小的效率實(shí)現(xiàn)性能最大化。在這個(gè)世界上，需要在一個(gè)系統(tǒng)或多個(gè)系統(tǒng)的背景下考慮成本。冷卻更少的服務(wù)器機(jī)架可以在更少的空間、更快的速度下完成更多的處理，這使得在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)上從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)芯片更容易接受。對(duì)于那些為預(yù)定義架構(gòu)購(gòu)買芯片的公司來(lái)說(shuō)，情況完全不同。因此，谷歌的服務(wù)器處理架構(gòu)看起來(lái)與特斯拉截然不同。雖然每一個(gè)都可能包含5nm或3nm邏輯，但它們是針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類型、不同的內(nèi)存和I/O配置以及數(shù)據(jù)處理方式和位置、需要保留多少以及存儲(chǔ)位置的不同優(yōu)先級(jí)而定制的。

在這種情況下，工藝技術(shù)和晶體管類型仍然很重要，但它們不一定是決定芯片運(yùn)行速度更快或功耗更低的因素。事實(shí)上，先用下一代晶體管技術(shù)到達(dá)最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)不再是一個(gè)必勝的公式。因此，盡管歷史上人們一直從密度的角度來(lái)看待工藝領(lǐng)先地位，但越來(lái)越多的是，這只是先進(jìn)封裝中越來(lái)越異構(gòu)的芯片或小芯片集合中的一個(gè)組件。僅僅因?yàn)樾酒褂?/span>3nm工藝，并不能確保其在特定應(yīng)用中以更低的功率運(yùn)行得比5nm邏輯芯片更快，5nm邏輯電路芯片可能與神經(jīng)處理單元、CPU和GPU封裝在一起。此外，如果需要更新或算法發(fā)生變化，并且沒(méi)有內(nèi)置的可編程性，那么隨著時(shí)間的推移，它可能不會(huì)表現(xiàn)得很好。

這在不同晶圓廠的路線圖中很明顯。雖然有一些相似之處，但也有明顯的差異，這些差異可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而擴(kuò)大。三星三星晶圓廠預(yù)計(jì)將在今年晚些時(shí)候或明年推出SF3E（3nm）工藝技術(shù)，該技術(shù)基于一種稱為MBCFET的柵極全能晶體管，其速度將提高23%，功耗將降低45%。三星將率先推出GAA FET，它在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)上比finFET更好地控制電流泄漏-基本上能夠完全關(guān)閉晶體管，而不是看著電池在關(guān)閉時(shí)慢慢耗盡。該公司還將為移動(dòng)市場(chǎng)增加SF4E、4、4P。預(yù)計(jì)將于明年某個(gè)時(shí)候推出的4P，采用4nm工藝和新的中間線技術(shù)，性能將提高1.19倍。SF3和SF3P將于明年推出，SF2預(yù)計(jì)于2024年推出，SF1.4將于2026-2027年推出。此外，三星還將推出Cube S，一款基于混合硅中介層的2.5D版本，以及混合BGA和TCP BGA版本，以增強(qiáng)其封裝選擇。它的3D-IC X-Cube將于2024年推出，使用微型凸塊，兩年后將推出無(wú)凸塊版本，大概是使用混合鍵合或其他用于連接它們的高速低電阻材料。圖：高速、低電阻率互連和更短的距離可以顯著提高性能并降低功耗和熱量。資料來(lái)源：三星最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)最大的問(wèn)題之一是散熱。GAA FET將在一定程度上有所幫助，但芯片利用率的提高和更高的動(dòng)態(tài)功率密度可以在垂直結(jié)構(gòu)之間捕獲熱量。一般來(lái)說(shuō)，有兩種方法可以解決這個(gè)問(wèn)題。其中一個(gè)涉及物理冷卻，使用散熱器或某種形式的熱轉(zhuǎn)移到液體中，或在內(nèi)部使用微流體。第二是降低各個(gè)部件的閾值電壓。三星電子負(fù)責(zé)產(chǎn)品規(guī)劃的副總裁金英東表示：“如果你能用較低的閾值電壓來(lái)降低功耗，你就能降低限制性能的功耗。”一個(gè)相關(guān)的挑戰(zhàn)是，存儲(chǔ)器需要最小的電壓才能正常工作，因此需要提高和降低電壓才能使其正常工作。三星擁有自己的內(nèi)存——DRAM（包括HBM）、NAND、SRAM、STT-MRAM——所以它有能力在內(nèi)部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。它甚至開(kāi)發(fā)了內(nèi)存計(jì)算能力。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榻档碗妷簳?huì)增加對(duì)各種類型噪聲的敏感性，在構(gòu)建高級(jí)芯片時(shí)需要考慮所有這些因素。三星負(fù)責(zé)存儲(chǔ)器銷售的執(zhí)行副總裁吉姆·埃利奧特表示，通過(guò)在DRAM中使用finFET，功率可以縮小到0.9伏以下。三星還正在開(kāi)發(fā)各種橋接技術(shù)，包括嵌入式橋接和它所稱的“RDL插入器”。2025年，該公司還希望增加背面供電，這將有助于緩解芯片內(nèi)部的擁塞。這種方法之所以吸引人，是因?yàn)樵?/span>3D晶體管結(jié)構(gòu)極其密集的海洋中減少了擁塞，以及在重新分配層上做得更多，這在過(guò)去很大程度上被視為機(jī)械基礎(chǔ)。三星可能會(huì)在其各種產(chǎn)品線中使用其內(nèi)部開(kāi)發(fā)的許多芯片，這些產(chǎn)品線現(xiàn)在包括汽車、移動(dòng)/消費(fèi)者、物聯(lián)網(wǎng)和HPC/AI。三星執(zhí)行副總表示：“這是一個(gè)晶圓制造整體設(shè)計(jì)平臺(tái)?！?/span>三星工藝路線圖臺(tái)積電盡管GAA FET減少了泄漏，但臺(tái)積電認(rèn)為N3有足夠的好處，可以將該技術(shù)的引入推遲到N2。N3將在與N5相同的功率下提供18%的性能提升，或在相同的性能下降低34%的功率。在N2下，當(dāng)引入納米片時(shí)，性能將提高約10%至15%，或功率降低25%至30%。納米片的后續(xù)技術(shù)，一種互補(bǔ)的FET，這是所有三家主要晶圓廠都可能采取的路徑。目前尚不清楚的是，這將在何時(shí)發(fā)生，或者是否會(huì)有imec開(kāi)發(fā)的一種臨時(shí)技術(shù)，稱為叉片FET。臺(tái)積電一直在試驗(yàn)新型材料和晶體管，包括碳納米管FET，其縮放密度將比其他晶體管類型高1.5倍至2倍。新型低電阻材料可以將電阻降低40%，這將顯著提高性能，減少驅(qū)動(dòng)信號(hào)所需的功率，并顯著降低熱量。隨著互連性能的提高，電阻率降低有可能進(jìn)一步擴(kuò)展。在封裝方面，臺(tái)積電已經(jīng)通過(guò)其集成扇出（InFO）技術(shù)進(jìn)行了大批量生產(chǎn)，并且正在與客戶合作開(kāi)發(fā)基于其晶片上襯底（CoWoS）技術(shù)的3D IC，該技術(shù)使用微凸塊以及有機(jī)和硅中介層。該公司還開(kāi)發(fā)了一種高密度硅橋，并正在開(kāi)發(fā)一種稱為集成芯片系統(tǒng)（SoIC）的前端線封裝技術(shù)，該技術(shù)利用水平和垂直空間將小芯片嵌入芯片中。臺(tái)積電工藝路線圖英特爾和臺(tái)積電一樣，英特爾將把finFET再推一個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)劃在2024年換成2nm的納米片，也就是它所說(shuō)的20A（20埃等于2nm）。英特爾的GAA FET被稱為RibbonFET。該公司還計(jì)劃在2025年將其稱為PowerVia的背側(cè)供電增加到18A。雖然英特爾計(jì)劃在先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)對(duì)等或領(lǐng)先，但值得注意的是，該公司對(duì)小芯片的投入及其開(kāi)發(fā)小芯片的經(jīng)驗(yàn)，以及使用其嵌入式多芯片互連橋（EMIB）技術(shù)將它們連接在一起的經(jīng)驗(yàn)。該公司還創(chuàng)建了名為Foveros的芯片對(duì)芯片堆疊技術(shù)，這是EMIB的3D版本。英特爾本質(zhì)上已經(jīng)為客戶定制了一個(gè)設(shè)備機(jī)箱，能夠根據(jù)客戶需求更換不同的組件。2015年，英特爾收購(gòu)Altera提供了所需的靈活性，以隨著算法和協(xié)議的變化延長(zhǎng)這些異構(gòu)解決方案的壽命。該公司今年早些時(shí)候決定收購(gòu)Tower Semiconductor，這增加了一套可以捆綁到這些產(chǎn)品包中的專業(yè)和成熟節(jié)點(diǎn)功能。該公司在晶圓制造服務(wù)方面投入巨資，幫助客戶開(kāi)發(fā)定制解決方案。英特爾副總裁兼產(chǎn)品和設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)支持總經(jīng)理拉胡爾·戈亞爾表示：“對(duì)于內(nèi)部制造，我們真的在努力恢復(fù)工藝技術(shù)的領(lǐng)先地位，我們將在未來(lái)四年內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，第二是外部制造。我們是一家產(chǎn)品公司，所以我們將利用任何對(duì)產(chǎn)品線和產(chǎn)品制造來(lái)說(shuō)都是最佳的產(chǎn)品。所以作為一家外部晶圓廠，我們將做到這一點(diǎn)。我們也在領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)上做了更多的工作。我們也正在從頭開(kāi)始建造我們的晶圓廠。上一代是Intel Custom foundry我們被稱為英特爾晶圓服務(wù)，因?yàn)槲覀兪且患曳?wù)企業(yè)?！?/span>英特爾還通過(guò)《芯片法案》（CHIPS Act）獲得了美國(guó)政府的一些幫助，該法案使其能夠在俄亥俄州等地建立晶圓廠和受過(guò)教育的員工隊(duì)伍，并已與美國(guó)軍事、航空航天和政府聯(lián)盟（USMAG）達(dá)成協(xié)議，以使芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能夠采用最先進(jìn)的工藝技術(shù)。英特爾是三巨頭中唯一一家總部位于美國(guó)的領(lǐng)先晶圓廠，它將受益于地緣政治沖突和政府投資。英特爾工藝路線圖可靠性盡管所有這些都是非常昂貴的先進(jìn)制造和封裝技術(shù)，但對(duì)可靠性的擔(dān)憂仍在上升。它現(xiàn)在依賴于一個(gè)變量的電子表格，從可能產(chǎn)生無(wú)聲數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的制造缺陷到熱熱點(diǎn)。imec的Beyne說(shuō)：“過(guò)去，人們認(rèn)為熱量會(huì)從這些高溫地區(qū)擴(kuò)散到低溫地區(qū)，這樣你的芯片上的能量就會(huì)均勻分布，然后你就可以從外部均勻地冷卻它，不幸的是，如果你等到熱量擴(kuò)散，溫度已經(jīng)太高了。所以你必須增加冷卻，隨著冷卻的增加，你會(huì)定位這些熱點(diǎn)。而相鄰的硅對(duì)你沒(méi)有任何幫助。它必須垂直。因此你必須采用更直接的冷卻解決方案?！?/span>制造工藝現(xiàn)在是巨大的材料科學(xué)挑戰(zhàn)。一些材料需要溶解或熔化，而其他材料需要保持完整，所有這些都需要在同一工藝步驟中進(jìn)行，以確保晶圓廠中有足夠的產(chǎn)量。布魯爾科學(xué)公司首席開(kāi)發(fā)官金·阿諾德表示：“這已經(jīng)足夠大了，我們必須創(chuàng)建與清潔和缺陷測(cè)試相關(guān)的新項(xiàng)目，這些材料需要能夠承受400°C及更高的高溫穩(wěn)定性。一旦你讓它經(jīng)受住類似的東西，或是嚴(yán)酷的化學(xué)物質(zhì)，其中一些甚至更難以合理的方式去除。這催生了我們幾年前從未真正預(yù)料到的其他項(xiàng)目活動(dòng)?！?/span>總結(jié)從這個(gè)角度來(lái)看，過(guò)去是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的指標(biāo)-誰(shuí)可以最快地遷移到下一個(gè)流程節(jié)點(diǎn)-現(xiàn)在變成了一組復(fù)雜且大得多的指標(biāo)，這些指標(biāo)在不同的應(yīng)用程序之間可能有很大的差異。在某些情況下，這可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，即哪家晶圓廠在任何時(shí)間點(diǎn)都有足夠的產(chǎn)能來(lái)達(dá)到市場(chǎng)窗口，而在其他情況下，它可能涉及一系列復(fù)雜的任務(wù)和材料組合，這是沒(méi)有先例的。僅僅因?yàn)橐患揖A廠引入了3nm或2nm工藝，并不意味著它與另一家相同。雖然擴(kuò)展仍然很重要，但它可能只適用于高級(jí)封裝中包含的一個(gè)或多個(gè)小型邏輯芯片，其中真正的優(yōu)勢(shì)是集成所有不同部件所需的專業(yè)知識(shí)，或者封裝本身的設(shè)計(jì)。哪家晶圓廠可以為特定的應(yīng)用或用例構(gòu)建最佳的分類SoC，現(xiàn)在很難確定何時(shí)單個(gè)部件沒(méi)有排成一行，但所有的頂行框都被選中了。性能和電源正在成為依賴于應(yīng)用程序的屬性，有時(shí)被狹義地定義為單個(gè)客戶的特定配置。