22nm制程风波再起

虽然目前全球的22nm制程产能相对不缺货,但从中期来看,可能因为部分新增产能未能如期量产,而出现缺货状况。 此次,除了联发科采用英特尔晶圆代工服务吸睛之外,22nm制程工艺再一次登上了行业新闻头条。

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22nm制程风波再起

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图片来源@视觉中国

文|半导体产业纵横

7月25日,联发科发布重磅消息,这家长年在台积电投片,并已成为后者第三大客户的头部IC设计厂商,宣布未来将在英特尔投片。

根据双方协议,联发科会在“Intel 16”制程工艺、约等同于台积电22nm制程的产线投片,该公司财务长顾大为指出,未来可能会下单英特尔的产品,包括智能电视、Wi-Fi芯片,都是以成熟制程为主。对此,一名半导体产业分析师指出,虽然目前全球的22nm制程产能相对不缺货,但从中期来看,可能因为部分新增产能未能如期量产,而出现缺货状况。

此次,除了联发科采用英特尔晶圆代工服务吸睛之外,22nm制程工艺再一次登上了行业新闻头条。

22nm是继28nm半节点之后的全节点制程工艺。谈到22nm制程,要追溯到2008年,当时,业界首次出现了采用该制程工艺的RAM存储器,但彼时还未实现量产。到了2012 年,英特尔公司推出了第一款采用22nm制程工艺的消费级CPU——Ivy Bridge。

22nm制程的出现和普及,满足了市场上相当多IC设计厂商的实际需求。28nm之后,许多厂商希望转移到更高级节点,但过高的成本和风险,使得很多IC设计厂商对16nm/14nm望而却步。Gartner的数据显示,28nm制程芯片的平均设计成本为3000万美元,16nm/14nm约为8000万美元,而设计一个7nm芯片要花费2.71亿美元。这样,许多厂商停留在了28nm及以上的成熟制程,资金更充足的可能会转移到16nm/14nm及更先进制程节点。

还有一些厂商想要获得性能提升,但无法承受16nm/14nm的价格,此时,22nm脱颖而出。不过,相对而言,与28nm、16nm/14nm相比,22nm制程的市场规模还是小的。

群雄逐鹿22nm

由于22nm制程非常适用于汽车、物联网和无线通信等应用,近些年,英特尔、GlobalFoundries、台积电等厂商都在开发22nm制程工艺。不过,不同厂商研发的22nm工艺各不相同,大致可分为三种版本:以台积电为代表的平面型(planar,相对于3D的FinFET而言)CMOS工艺;GlobalFoundries 的平面FD-SOI工艺;以英特尔为代表的低功耗22nm FinFET工艺。

英特尔开拓22nm FinFET

虽说22nm比32nm的集成度提高了,但工艺成本也明显增加了。英特尔的策略与众多厂商明显不同,该公司进行了变革,不走传统的平面型工艺路线,而是采用3D架构,也就是tri-gate路线。不同于台积电和三星,英特尔在22nm节点就采用了FinFET工艺了,而前两者是在16nm/14nm节点才采用FinFET架构的。

此次,联发科选择与英特尔的代工业务合作,并且采用其“Intel 16”制程工艺,也是一种尝试,,即采用该公司的FinFET工艺生产电视SoC和Wi-Fi芯片,会有与台积电平面型22nm工艺不同的性能表现,很可能会优于后者,且英特尔的代工业务处于发展期,价格会比较实惠,这对于联发科而言是个不错的选择。不过,实际情况如何,还要等到量产后才能见分晓。

平面型22nm制程有望迎来新机遇

平面型22nm制程的代表企业是台积电。相比于FinFET工艺版本的22nm 制程,平面型的难度较低,研发成本和时间也会少很多。

台积电的22nm超低功耗(22ULP)技术基于该公司28nm技术开发,并于2018年第四季度完成了所有工艺认证。与28nm高性能(28HPC)工艺相比,22ULP可使芯片面积减少10%,可使芯片性能提升30%,或功耗降低30%。此外,台积电还于2018年第四季度完成了22nm超低泄漏(22ULL​​)技术的开发,该工艺可以实现更低的功耗,主要用于物联网和可穿戴设备芯片制造。

然而,在台积电的各种制程工艺中,22nm的占比不大,这在该公司2020和2021年的财报中有体现,台积电22nm(图中为20nm,是基于22nm的升级版本)制程的营收占比几乎可以忽略不计了。

不过,最近两年的市场行情,对于22nm制程比较友好,未来产能需求增加预期正在提升,例如,翱捷科技表示,该公司的主要晶圆代工伙伴是台积电,2022上半年,台积电22nm制程产能仍然呈现紧张状态,翱捷科技一直在积极与台积电进行沟通,希望能获得与市场需求相匹配的产能支持。在这样的背景下,台积电也在扩充相应产能,该公司正在日本新建的、计划于2024年投入运营的晶圆厂,就是提供22nm/28nm制程产能的。

除了台积电,中国台湾另一家晶圆代工大厂也基于其28nm开发出了22nm工艺,与28nm HKMG工艺相比,该厂商22nm增益达10%,功率/性能比更好,射频性能增强。另外,该厂商开发出了22nm超集结技术,在同一平台上有ULP和ULL选项,该技术可支持1.0V~0.6V电压,客户可以在一个SoC设计平台上享受这两种技术的优势。另外,该厂商还开发了22nm制程的ReRAM技术平台和22nm嵌入式磁阻随机存取内存(eMRAM)制程平台,可应用于人工智能物联网(AIoT)相关产品。

与台积电的策略类似,这家厂商也开始在中国台湾以外地区扩充较为成熟制程的产能,它选择的地点是新加坡。今年2月,该厂商董事会通过了在新加坡Fab12i厂区扩建一座全新晶圆厂计划,新厂第一期的月产能规划为3万片晶圆(12英寸),制程主要为22nm/28nm,预计2024年底开始量产。

该厂商表示,受5G、物联网和车用电子大趋势带动,它对22nm/28nm制程需求的前景持乐观态度,因此,新加坡新厂所扩增的产能也签订了长期的供货合约,以确保2024年后对客户产能的供应。该厂商期望这座新厂能在满足这些市场强劲需求上扮演重要角色,特别是协助缓解22nm/28nm晶圆产能结构性短缺状况。

在生态系统方面,特别是EDA和IP的支持必不可少。Arm为台积电等厂商的22nm 工艺开发了物理 IP,包括标准单元库、通用I/O和内存编译器。EDA方面,三大EDA厂商都支持22nm工艺技术。

FD-SOI另辟蹊径

随着制程节点的微缩,传统的平面型CMOS工艺已经难以满足微缩要求,正因如此,才出现了3D结构的FinFET工艺,但漏电流是FinFET无法回避的短板,要想降低功耗,就需要有新的工艺技术,FD-SOI(Fully Depleted SOI,全耗尽SOI)应运而生。

FD-SOI晶体管,硅薄膜限定了源漏结深,同时也限定了源漏结的耗尽区,从而改善了DIBL(Drain Induced Barrier Lowering,漏致势垒降低) 等短沟道效应,改善了器件的亚阈特性,降低了电路的静态功耗。此外,FD-SOI晶体管无需沟道掺杂,可以避免 RDF(Random Dopants Fluctuation,随机掺杂涨落) 等效应,从而保持稳定的阈值电压,同时还可以避免因掺杂而引起的迁移率退化。与FinFET 相比,FD-SOI技术还有一个重要卖点,即先进的负偏压(back bias)技术。

低漏电特性使得FD-SOI非常适合需要低功耗且成本敏感的应用。

下图所示为28nm HKMG(High-K Metal Gate)与22nm FD-SOI(22FDX)两种不同工艺的功耗与频率量化对比图。橙色曲线为 28nm HKMG,中间那条曲线为 22nm FD-SOI(不做bias),最上面蓝色曲线为22nm FD-SOI(采用正向 bias)。

在同样频率下,采用22FDX(不做bias)工艺的功耗比28nm HKMG节省了近50%,而采用同样频率和工艺的22FDX,有FBB(Forward Body Biasing)的功耗比没有采用偏压技术的节省了近50%的功耗。

FD-SOI的忠实玩家非GlobalFoundries莫属了,特别是22nm FD-SOI,该公司是第一个尝鲜的,上文的22FDX也正是GlobalFoundries标志性的工艺技术。据悉,22FDX在pFET沟道中集成了high-k/metal-gate以及SiGe,以提高驱动电流。如果需要,SiGe沟道可以用硅替代以减少泄漏。与28nm相比,22FDX的性能提高了30%,功耗降低了45%。

在22FDX的基础上,GlobalFoundries还在开发12nm的FD-SOI,原计划在2022年正式推出。

除了GlobalFoundries,意法半导体(ST)和三星也非常看好FD-SOI,三星正在开发18nm FD-SOI技术。

在市场和应用层面,22nm或18nm FD-SOI与FinFET 工艺技术,特别是16nm/14nm制程是互补的,而非竞争关系,它们服务于不同市场和应用,几乎没有重叠。

结语

在英特尔重金杀入晶圆代工市场之前,在22nm这个节点,原本是波澜不惊的状态。首先,全球22nm制程的规模相对较小,而且又分为传统平面型CMOS和FD-SOI工艺,前者的代表企业是台积电,后者的代表企业是GlobalFoundries,由于GlobalFoundries和台积电的制程工艺发展战略迥异,现在这两家的竞争关系已经很弱了,而中国台湾另一家晶圆代工大厂与GlobalFoundries在22nm处的竞争也较弱,因为它们的22nm工艺路线不同,一个是传统平面型CMOS,另一个是FD-SOI。因此,总体来看,全球22nm制程工艺原本没有出现强竞争态势。

但是,随着英特尔强势杀入全球晶圆代工市场,特别是联发科宣布采用该公司22nm制程的升级版本代工其相关芯片,另外,各大晶圆代工厂不断扩充成熟制程产能,其中就包括22nm,台积电在日本,另一家在新加坡建新厂是典型代表。所有这些凑在一起,很可能会搅动原本比较平静的22nm制程芯片市场,未来发展值得关注。

本文系作者半导体产业纵横授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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  • 未来产能需求增加预期正在提升

    2022-08-10 10:06 via android
  • 全球22nm制程工艺原本没有出现强竞争态势

    2022-08-10 01:12 via iphone

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