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    芯片未來,靠這些技術了

    Aug,22,2022 << Return list

    芯片制造商正在為架構、材料和晶體管和互連等基本結構的根本變化做準備。最終結果將是更多的制程步驟、每個步驟的復雜性增加以及整體成本的上升。


    在先進工藝制造方面,finFET 將在 3nm(30 埃)節點之后的某個地方喪失動力,仍在這些節點上工作的三個代工廠——臺積電、三星和英特爾,以及行業研究機構 imec——正在尋找某種形式的全柵極晶體管作為下一個晶體管結構,以便更嚴格地控制柵極泄漏.


    此后,這種方法可能至少適用于更多節點,并且可能會隨著 forksheet FETs的推出而進一步發揮作用,這是 imec 開發的中間步驟。(見圖 1)然而,這些公司中的每一個都使用不同的命名約定、時間線和技術組合,因此很難確定哪家公司在任何特定時刻擁有技術領先地位。


    “回顧過去,我們從雙極器件開始,然后轉向平面 CMOS 和 3D finFET,”臺積電業務發展高級副總裁 Kevin Zhang 說?!艾F在我們正在轉向納米片gate-all-around晶體管。但是晶體管結構將會發展。并不是每一代或每一節點都必須引入新的架構,因為新的晶體管或架構需要很長時間。十多年來,我們一直在投資納米片技術,以便有足夠的信心將其引入 2nm 節點?!?/p>


    代工廠將盡可能長時間地擴展現有技術,因為每次更改都代價高昂。除了晶圓廠開發的新制造工藝外,還需要微調數百個涉及制造設備的工藝步驟。這里的關鍵指標是制造每個晶圓所花費的時間,這會影響成本,以及獲得足夠良率的時間。每個步驟都需要從 EDA 工具(需要在每個代工廠的每個節點和半節點進行認證)到將各種設備插入(insertion)制造流程的準確時間進行所有更改。復雜芯片可以有多個插入點。這使得實際的時間表很難確定,代工廠可能不會推動下一個技術節點,直到他們用完現有技術的改進。


    臺積電是目前的工藝領導者,也是唯一一家處于領先地位的純代工廠,他們計劃在2nm的時候遷移到GAA FET。臺積電研發高級副總裁 Yuh-jier Mii 在最近的一次演講中表示,3nm 的 finFET 將在相同功率下提供 18% 的速度提升,或在相同性能下降低 34% 的功率。使用納米片,速度將提高 10% 至 15%,功率降低 25% 至 30%,密度增加 1.1 倍。他還指出,現有的設計規則將與 N2 兼容,這將允許重用 IP。


    英特爾將遵循類似的路徑,使用其稱為 RibbonFET 的GAA FET 版本。英特爾同樣表示,它的 finFET 技術還有足夠的改進,可以將 finFET 擴展到更多節點。


    “我們在當前的生產節點提供先進的 finFET,”英特爾副總裁兼產品和設計生態系統支持總經理 Rahul Goyal 說?!拔覀円苍陉P注下一代節點,它將在明年左右推出。然后我們的甜蜜點——這是最先進的節點,我們相信我們可以在其中實現差異化——正在與幾個客戶一起開發。這讓我們進入了 2024 年到 2025 年的時間框架,并更好地了解我們的客戶需要什么以及如何實現它。挑戰在于確保我們在早期階段與客戶合作,以盡可能加快我們的學習速度,然后讓我們的生態系統和合作伙伴能夠為我們的客戶服務。生態系統非常強大,并且多年來變得非?;钴S。


    與此同時,三星將在 3nm 引入 GAA 技術,稱為多橋溝道(Multi-Bridge Channel) FET。該公司聲稱,與 5nm finFET 相比,該技術可以降低 45% 的功耗,提高 23% 的性能,并減少 16% 的面積。下一代將減少高達 50% 的功耗并提高 30% 的性能,使用面積減少 35%。三星吹捧的一項關鍵改進是可調節溝道寬度,這可以降低驅動信號所需的功率。


    下一步是什么?


    在 GAA FET 之后,下一輪技術可能會包括堆疊式 GAA FET,也稱為complementary FETs (CFET),這個晶體管可實現高達 50% 的縮放。這種變化至少將納米片擴展了幾個節點??梢远询B多少層可能決定了這項技術的可擴展性。


    Lam Research計算產品副總裁 David Fried 說:“我們正在研究橫向納米線、納米片以及橫向納米線和納米片的某種程度的堆疊,以用于未來幾代技術?!?“每個人都喜歡調查先進設備的完整列表,并查看縱向和橫向設備和堆棧,但進行任何這些更改所需的投資是如此之大,以至于制造商最好確定他們將至少獲得一些節點在進行該過渡之前退出主要過渡。你盡量不要一次一個節點地做出這些決定?!?/p>


    預計 CFET 將開始出現在 14 埃(1.4nm)左右,或者無論實際數字是多少——目前尚未確定。CFET 已經在繪圖板上出現了十多年,被認為是納米片和forksheet FET 的進化步驟。對于 CFET,nFET 和 pFET 線以單線或兩線配置堆疊,提供面積和密度優勢,同時仍限制柵極處的電流泄漏。這種泄漏就是為什么即使設備關閉,電池也會耗盡或電流繼續流動的原因。



    重新思考一些基礎知識


    與過去不同,當一個工藝可以解決數十億個相同設計的單元時,最終用戶需要針對特定應用程序進行更多定制的解決方案。在某些情況下,這些是為內部使用而設計的,例如超大規模數據中心。這將行業學習的數量限制在特定的設計中,而較小的數量會進一步減少。


    更糟糕的是,其中一些設備正用于安全和任務關鍵型應用。因此,除了數量有限之外,還需要在更長的使用壽命內提高可靠性。


    作為回應,正在制定一些有趣的策略來處理這些和相關問題。例如,與其期望設計中的每個晶體管或互連都能完美地工作——以 100% 的良率——而是能夠在芯片生命周期的任何時候識別出哪些是壞的或壞的。這里的重點是彈性。過去,這是通過冗余來實現的,普遍的態度是晶體管是免費的。但這種方法在異構設計中過于昂貴,其中一些計算元素和內存是由不同的供應商創建的。


    “有兩個問題,” PDF Solutions的首席技術官 Andrzej Strojwas 說?!笆紫?,您如何盡早確定電路無法正常工作?其次,如何構建可重新配置的互連?您可以使用有源電路來重新配置該互連。這樣做的標準方法是在制造過程結束后進行測試并燒毀保險絲。但是,如果您通過電子束掃描低層金屬水平的內嵌信息,您可以更有效地執行此操作。


    當索尼在 2000 年推出基于 IBM  Cell 處理器的 Playstation 2 時,雖然只需要五個內核,但它被設計為具有六個內核。這種方法在當時被認為是革命性的。但可重構性增加了對從設計到制造過程中發生的事情的全新理解,包括實時分析、根據需要重新路由信號的能力以及更精確地劃分設計。


    光刻技術也即將經歷重大且代價高昂的轉變。EUV在延遲了大約十年后部署用于 5nm 的大批量制造,現在已經落后了。在 3nm 和 2nm,除非 ASML(領先的光刻設備的唯一來源)能夠以合理的價格推出高數值孔徑 EUV(High NA EUV),否則將再次需要多重圖案。High-NA EUV的孔徑為 0.55,而 EUV 的孔徑為 0.33,它使用變形鏡頭能夠正確打印晶圓邊緣的特征。但并非所有金屬層都需要高數值孔徑的 EUV,這意味著它可能會作為一種點工具而不是一刀切的方式集成到制造流程中。


    另一個受到關注的策略是設計技術協同優化,它比過去更緊密地將前端設計與制造聯系起來。DTCO 已經存在多年,但它只在最先進的節點上獲得使用。


    “在平面 CMOS 時代,設計人員和技術可以預測節點的擴展方式,” Synopsys產品營銷總監 Ricardo Borges 說硅工程集團?!半S著 finFET 的引入,這種直覺變得不那么可信了,它引入了一些新東西,使得預測節點的特性變得更加困難。今天,有更多種類和更多的架構需要探索。例如,在短期內,我們看到了gate-all-around技術的早期版本。除此之外,還有多種類型的器件、更多晶體管架構、更多材料和系統需要評估。在某個時候,可能會用其他材料替代硅。我們已經看到了用于未來互連的新型金屬,如釕和鉬,以及用于射頻的鉍和銻,因為它們具有較低的電阻率。還有一些結構,imec 稱之為縮放助推器,


    另一種方法是根本不擴展到最先進的節點。UMC 和 GlobalFoundries 等代工廠正在對成熟節點進行大量投資,其中正在使用替代方法來提高 PPA。GlobalFoundries 技術、工程和質量高級副總裁 Gregg Bartlett 表示,目前使用的芯片中有 80% 是在成熟節點上制造的,他預計隨著先進封裝、混合鍵合、Chiplet等領域的增長,這一數字還會增加特定領域的設計。


    不過,這并沒有讓成熟節點的設計變得不那么復雜?!拔覀儚牟牧祥_始,然后設計芯片,而不是從終端市場開始,弄清楚他們想要對設計做什么以及將哪些材料映射到其中,”Bartlett說?!癝OITEC 擁有 27 種不同的 SOI(絕緣體上硅)材料,具有不同的盒子厚度、不同的硅厚度和不同的晶體取向。了解為什么一種基材比另一種更好是一個非常重要的考慮因素。這不是因為材料特性。這是因為當它一直集成到系統級別的性能中時,你就會明白這是如何轉化的?!?/p>


    不同的選擇


    令人驚訝的是,在所有工藝節點上都進行了多少研發,而不僅僅是在前沿,而且隨著美國《芯片與科學法案》和《歐洲芯片法案》的通過,這項研究可能會爆炸式增長,將匯集超過 1000 億美元用于各種相關領域的研究。


    這包括用于多芯片和多模塊/封裝通信的硅光子學,它已在數據中心內部廣泛用于將服務器連接到存儲。它將越來越多地用于越來越短的距離。光非???,實際傳輸信號所需的能量最少,并且產生的熱量也很少。但它還需要監測熱波動,這可能會將信號推到濾波器范圍之外,并檢查波導中是否存在影響信號的粗糙度。與電子不同,光子不喜歡角落,這是將光子學構建到芯片中的挑戰之一。


    “對我們來說,我們希望能夠模擬以某種形狀或方式裝在一起的兩個設備,并能夠模擬和模擬這兩者的組合,”Bartlett說?!癊DA 人員在跟上幕后工作方面做得很好。我們剛剛在我們的 45CLO 平臺上與 EDA 供應商之一發布了公告(C、L 和 O 是不同的波段,每個波段都有不同的損耗),因為現在您正在嘗試做電光。這些領域處于行業前沿,我們正在努力為我們的客戶提供正確的設計工具?!?/p>


    專業代工產品也在蓬勃發展?!皬妱诺木A需求使我們的晶圓廠保持滿負荷運轉,并且與我們的整體收入相比,混合定價高于平均水平,”聯電總裁 Jason Wang 在最近的一次財報電話會議上表示?!胺且资源鎯ζ?、電源管理、RF-SOI 和 OLED 顯示驅動器等 SoC 技術是跨 5G、AIoT 和汽車的必要應用。我們專注于專業技術的戰略取得了成功——它現在貢獻了我們晶圓收入的一半以上?!?/p>


    Wang指出,汽車的持續電氣化也是未來增長的催化劑。


    其他選項


    也許最大的轉變來自封裝選項和Chiplet的方式。有很多方法可以將不同的部分組合在一起,包括在最先進的節點上開發的數字邏輯與在成熟節點上開發的其他邏輯、模擬和各種類型的存儲器的混合。事實上,隨著設計變得越來越多樣化并針對特定應用程序和用例進行定制,越來越需要為它們增加更大的靈活性。


    “我們采訪的一位客戶有一個非常復雜的中斷控制器,” Flex Logix銷售、營銷和解決方案架構副總裁 Andy Jaros 說. “他們需要預測客戶想要啟動他們的芯片的所有不同排列,包括連接哪些外圍設備或提供給外部世界,并且他們試圖在軟件控制下做到這一點。他們發現,無論他們如何配置它或中斷控制器有多復雜,都不會支持該中斷控制器。這就是嵌入式 FPGA 發揮作用的地方。您可以擁有一個更簡單的中斷控制器,并且該中斷控制器是針對每個客戶專門設計的。因此,現在您不必預測每個潛在的啟動情況或啟動順序或組合變化?;旧?,當客戶需要它時,您會生成一些新的 RTL 并將其放入該客戶的排序要求中?!?/p>


    混合和匹配各種組件和過程也會產生一些意想不到的結果??紤]混合鍵合,它提供了一種連接不同組件比將它們焊接在一起更直接的方法。


    “由于焊料的低溫工藝,它限制了他們想做的許多下游應用,” Brewer Science晶圓級加工業務部執行董事 Kim Yess 說?!拔覀冞€看到客戶在哪里進行焊球集成,他們有太多的變形或斷裂,他們現在正在考慮混合鍵合。這將比真正的異構集成更快?!?/p>


    銅-銅混合鍵合是最遠的,但使用電介質進行鍵合的工作正在進行中?!拔覀冋谂c聚合物電介質并行工作以做同樣的事情,”Brewer Science 的科學家白東順說?!八蕴幱谠缙陂_發階段?!?/p>


    混合鍵合的另一個優點是它減少了鍵合中的應力點,這會導致焊球出現裂紋,特別是在角落處?!拔覀兟犝f了lateral alignment等重大挑戰,”白說?!叭绻麑R小于 2 微米,他們可能會遇到一些問題。如果微凸塊連接變得更小,穩定性將成為一個問題?!?/p>


    未來


    與過去不同,當整個芯片產業步入下一個工藝節點時,有許多可能的途徑正在考慮之中?,F有節點上的工作是使用曲線掩模形狀更準確地在晶圓上打印特征?!敖裉?,如果你想在晶圓上可靠地繪制某種形狀,我們會非常積極地操縱光掩模上的形狀,” D2S首席執行官 Aki Fujimura 說?!巴ǔ?,Mask上的形狀最終看起來與晶圓上的預期形狀完全不同?!?/p>


    這就是曲線掩模(curvilinear masks )適合的地方?!懊總€技術節點都越來越難,即使是使用 EUV,要使晶圓形狀在制造變化中盡可能一致,”Fujimura 說?!按蠹s 20 年來,通過在光罩上使用曲線形狀來實現最佳均勻性已經得到了很好的證實。這就是多光束掩模寫入器的用武之地?,F在大多數前沿掩模都是用多光束掩模寫入器寫入的,因此可以制造曲線形狀。在采用可變形狀光束 (VSB) 技術的上一代產品中,曲線掩模形狀的寫入是不切實際的?!?/p>


    如果這還不夠,我們正在開發涉及用于碳納米管 FET 的 2D 材料的開發工作,所有領先代工廠都在關注這些材料。這些結構是否真的會為主流應用、特種芯片實現,或者根本不存在,還有待觀察。盡管使用奇異材料對不同晶體管結構的研究仍在繼續,但領先的代工廠正在將架構和先進封裝視為可能的前進道路,無論是否有 OSAT 的幫助。


    可以肯定的是,競爭正在升溫而不是消退,競爭正在以盡可能低的成本和最大的可靠性快速“大規模定制”半導體?,F在的問題是,哪條是最好的前進道路,這還有待證明。


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