三星Foundry推出14nm工藝芯片：采用FinFET晶體管結(jié)構(gòu)

作為晶圓代工廠的龍頭老大，臺(tái)積電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)5nm工藝量產(chǎn)，并且獨(dú)家拿下蘋果A14處理器的訂單。隨著三星不斷發(fā)展的晶圓代工業(yè)務(wù)，以及工藝制程上的追趕，即使三星在市場(chǎng)份額與臺(tái)積電還無(wú)法相提并論，但是不可否認(rèn)的是，兩者間的技術(shù)差距在逐漸減小。

在2020世界人工智能大會(huì)期間的“萬(wàn)物智聯(lián)·芯火燎原”人工智能芯片創(chuàng)新主題論壇上，三星電子高級(jí)副總裁Moonsoo Kang介紹了三星Foundry是如何通過(guò)提供最佳的Silicon(硅)解決方案來(lái)幫助AI芯片實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，他也介紹了三星Foundry在晶圓代工領(lǐng)域的概況及最新的進(jìn)展。

Moonsoo Kang是Samsung Foundry市場(chǎng)戰(zhàn)略團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)與工藝技術(shù)、設(shè)計(jì)IP和封裝解決方案有關(guān)的Samsung Foundry的戰(zhàn)略規(guī)劃和路線圖

眾所周知，近年來(lái)人工智能技術(shù)發(fā)展迅猛，而對(duì)于人工智能來(lái)說(shuō)，算力是極為重要的關(guān)鍵因素之一。而對(duì)于人工智能計(jì)算來(lái)說(shuō)，最開始的載體是通用型CPU，因?yàn)槠湎鄬?duì)于AI計(jì)算來(lái)說(shuō)，非常的靈活。但是隨著AI對(duì)于算力要求的越來(lái)越高，GPU開始成為了AI訓(xùn)練的首選計(jì)算架構(gòu)，因?yàn)槠湎啾菴PU來(lái)說(shuō)，更加的高效。而現(xiàn)在，相比GPU更加高效的定制型AI芯片開始逐漸成為了AI計(jì)算架構(gòu)的首選。

目前，CPU仍占據(jù)當(dāng)今數(shù)據(jù)中心AI推理(Inference)應(yīng)用市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，同時(shí)在數(shù)據(jù)中心AI訓(xùn)練應(yīng)用市場(chǎng)，GPU則占據(jù)著主導(dǎo)地位。但是，根據(jù)研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到到2025年，定制型AI芯片將占據(jù)數(shù)據(jù)中心AI推理應(yīng)用市場(chǎng)40%的份額，在數(shù)據(jù)中心AI訓(xùn)練應(yīng)用市場(chǎng)，AI芯片的份額將達(dá)到50%。

在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域，我們可以看到的另一個(gè)趨勢(shì)則是，高端制程的邏輯工藝變得越來(lái)越昂貴，先進(jìn)工藝的硅片制造成本越來(lái)越高，這也使得先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的芯片設(shè)計(jì)成本也隨之迅速增加。此外，并非采用先進(jìn)的工藝，所有SoC內(nèi)部的模塊都能以相同的方式體驗(yàn)高級(jí)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的好處。基于此，將傳統(tǒng)的SoC芯片分解成分為多個(gè)小芯片(Chiplet)，每個(gè)小芯片可以根據(jù)不同的需求選擇不同的制程工藝，然后通過(guò)先進(jìn)的封裝技術(shù)將其封裝在一起，這將使得芯片變得更加的高效和經(jīng)濟(jì)。

基于這兩大趨勢(shì)，Samsung Foundry也針對(duì)性的提供了相應(yīng)的工藝、IP和封裝技術(shù)來(lái)助力AI行業(yè)。

Moonsoo Kang首先介紹了Samsung Foundry在開發(fā)硅片先進(jìn)制程技術(shù)方面的歷史。比如，在行業(yè)中率先在32/28nm工藝上引進(jìn)了High-K金屬柵極技術(shù);隨后又在Foundry行業(yè)中領(lǐng)先推出第一款采用FinFET晶體管結(jié)構(gòu)的14nm工藝芯片;第一款基于EUV光罩技術(shù)的量產(chǎn)7nm芯片;三星還全球率先在3nm技術(shù)中引入全環(huán)柵極晶體管技術(shù)(Gate-all-around transistor，簡(jiǎn)稱GAA)。

Moonsoo Kang表示，硅晶體管多年其就已從平面(Planar)演變到立體的FinFET，來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的面積和電壓減縮，現(xiàn)在為了進(jìn)一步改善并克服FinFET的短通道效應(yīng)，Samsung Foundry引入了全環(huán)柵極的新型晶體管架構(gòu)(GAA)，借助這項(xiàng)新技術(shù)，可以進(jìn)一步降低晶體管的工作電壓，從而實(shí)現(xiàn)更節(jié)能的計(jì)算，這對(duì)于AI應(yīng)用至關(guān)重要。同樣，對(duì)于GAA器件，器件寬度會(huì)隨著納米片(Nano sheet)通道的垂直堆疊的增加而增加，因此可以實(shí)現(xiàn)性能提升的同時(shí)，而不會(huì)造成面積損失。這項(xiàng)技術(shù)可較小的硅片面積中實(shí)現(xiàn)更低的能耗和更多的計(jì)算能力，作為差別化的技術(shù)開發(fā)。

根據(jù)三星此前公布的數(shù)據(jù)顯示，三星電子已經(jīng)成功攻克了3nm和1nm工藝所使用的GAA工藝技術(shù)，其將在2021年推出基于3nm GAA工藝，相比現(xiàn)有的7nm工藝來(lái)說(shuō)，可實(shí)現(xiàn)芯片面積減少45%，功耗降低50%或性能提高35%，預(yù)計(jì)將于2022年開啟大規(guī)模量產(chǎn)。

此外，三星還擁有特殊工藝技術(shù)來(lái)提供差別化的解決方案。比如開發(fā)了28nm FD-SOI工藝，并提供了嵌入式非易失性存儲(chǔ)器解決方案，包括eFlash和eMRAM。并且三星還正在18nm節(jié)點(diǎn)上開發(fā)第二代FD-SOI技術(shù)。此外，三星還在FD-SOI工藝上提供eNVM解決方案，以實(shí)現(xiàn)最終的低功耗應(yīng)用。

“我們的FD-SOI技術(shù)為節(jié)能解決方案提供了平臺(tái)，并且，借助嵌入式非易失性存儲(chǔ)器(如eFlash和eMRAM)，有可能實(shí)現(xiàn)模擬類型的內(nèi)存計(jì)算，與傳統(tǒng)的基于數(shù)字邏輯的計(jì)算架構(gòu)相比，其功耗更低、面積更小、處理速度更快。”Moonsoo Kang介紹到。

但是，僅僅依靠先進(jìn)的靠硅制程技術(shù)并不一定能提供出色的芯片，要制造出具有競(jìng)爭(zhēng)力的芯片，還需要其他優(yōu)秀的設(shè)計(jì)IP組合。

對(duì)此，Samsung Foundry提供了全套的設(shè)計(jì)IP來(lái)支持AI和HPC應(yīng)用以及移動(dòng)應(yīng)用，比如，各種內(nèi)存接口IP(例如HBM2/2e，GDDR6，DDR5/4和LPDDR5/4)、最高速度可達(dá)112G的Serdes IP、高速接口(例如PCIe，MIPI和USB)、Die-to-die接口串行和并行類型。

Moonsoo Kang表示，這些IP并非都是由我們的IP合作伙伴或Samsung Foundry內(nèi)部開發(fā)，并經(jīng)過(guò)所有測(cè)試和硅驗(yàn)證的。

此外，封裝技術(shù)也是Samsung Foundry的技術(shù)解決方案的一部分。正如前面提到的，隨著異構(gòu)整合、Chiplet的發(fā)展，先進(jìn)封裝技術(shù)正成為推動(dòng)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。Samsung Foundry提供并繼續(xù)開發(fā)各種針對(duì)AI產(chǎn)品優(yōu)化的封裝解決方案。

比如，可提供使用硅片和RDL中介層(interposer)連接邏輯和高帶寬存儲(chǔ)器，或邏輯和邏輯芯片的2.5D水平方向集成解決方案。該2.5D集成解決方案可從4個(gè)HBM集成進(jìn)一步擴(kuò)展到6和多于8個(gè)HBM集成。此外，Samsung Foundry還提供3D-TSV芯片堆疊集成解決方案，其中一個(gè)芯片位于另一個(gè)芯片的頂部，以實(shí)現(xiàn)極高的帶寬。隨著焊盤間距小至10um，3D集成解決方案將進(jìn)一步擴(kuò)展到晶圓對(duì)晶圓鍵合和芯片對(duì)晶圓技術(shù)。

對(duì)于AI芯片來(lái)說(shuō)，性能尤為重要，但是功耗也是一個(gè)關(guān)鍵，尤其是對(duì)于耗電量巨大的數(shù)據(jù)中心類型的AI芯片而言。因此需要提供優(yōu)秀的電源完整性(PI)解決方案。

隨著計(jì)算能力的提高，開關(guān)噪聲或功率紋波成為關(guān)鍵問(wèn)題，作為一種解決方案，晶體管附近的高密度硅電容器可以減少電源噪聲并提高PI。Samsung Foundry提供了各種電容器解決方案來(lái)幫助增強(qiáng)PI，具有高電容密度的集成堆棧電容器(Integrated Stack Capacitor)可以集成在硅片中介層內(nèi)部或作為分立芯片。集成的堆棧電容器可以顯著改善輸電網(wǎng)絡(luò)的峰值阻抗和電壓降(如下圖片所示)。還提Samsung Foundry供MIM(金屬絕緣體金屬)電容器和EPS(嵌入式無(wú)源基板)，以進(jìn)一步增強(qiáng)電源完整性。

以上，我們介紹了Samsung Foundry的硅工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)IP和封裝技術(shù)，但是，這些技術(shù)組件不只是作為離散組件提供，它們是一個(gè)完整且客戶友好的生態(tài)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem)，可提供“一站式”解決方案。

Moonsoo Kang表示，百度的昆侖AI芯片就是采用了三星SAFE平臺(tái)，成功開發(fā)了出了同類最佳的AI芯片，該產(chǎn)品采用了Samsung Foundry的14nm邏輯工藝，SAFE可靠的IP解決方案和設(shè)計(jì)方法和HBM一起構(gòu)建在2.5D硅片中介層PKG。

根據(jù)此前的資料顯示，百度昆侖AI芯片基于三星14nm工藝，支持PCIE 4.0*8，內(nèi)建HBM內(nèi)存、512GB/s內(nèi)存帶寬，性能高達(dá)260TOPS，功耗僅150W。

去年下半年百度昆侖AI芯片就已成功流片，目前已經(jīng)成功量產(chǎn)，并應(yīng)用于百度的智能云業(yè)務(wù)。