半導體業(yè)界已發(fā)展出運用FinFET的半導體制造技術(shù)，對制程流程、設(shè)備、電子設(shè)計自動化、IP與設(shè)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(shù)，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(gòu)材料，電晶體幾何結(jié)構(gòu)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(ShortChannelEffect)，而電晶體也會進入不當關(guān)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(shù)出現(xiàn)后發(fā)揮作用，在FinFET結(jié)構(gòu)中，由于通道被三層閘極包覆，可更有效壓制關(guān)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(qū)動電流(DriveCurrent)。這些優(yōu)點能轉(zhuǎn)換為更低的耗電與更高的裝置效能。3DFinFET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(shù)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(shù)，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(shù)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(shù)，生產(chǎn)IvyBridge中央處理器(CPU)。雖然目前英特爾以FinFET技術(shù)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’sLaw)，于2013年第四季前將FinFET生產(chǎn)移轉(zhuǎn)至第二代14奈米制程。
未來幾年內(nèi)，愈來愈多頂尖IC設(shè)計業(yè)者將擴大投資并導入FinFET技術(shù)，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(shè)計業(yè)者與晶圓代工廠合作下，將推出以FinFET技術(shù)為基礎(chǔ)的應用處理器，與IDM業(yè)者共同角逐市場商機。
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圖12007～2017年半導體委外服務(wù)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(shù)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(shù)，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(shù)，再加上能持續(xù)提升效能與耗電效率的新型裝置結(jié)構(gòu)。
此種混搭制作方法或許不能在設(shè)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(shè)計業(yè)者決定采用FinFET技術(shù)。此外，臺積電與格羅方德最近皆宣布，有意在14奈米FinFET技術(shù)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(guān)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(shù)。
復雜架構(gòu)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(shù)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(CellSize)、設(shè)計規(guī)則、單元資料庫內(nèi)軌道的數(shù)量、速度及電力消耗。
無論頂尖IC設(shè)計業(yè)者采用何種FinFET技術(shù)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(shù)幾乎已達到極限，而且，一旦某家大型IC設(shè)計公司決定采用某種先進技術(shù)，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(shù)。
舉例來說，高通(Qualcomm)決定采用28奈米多晶矽氮氧化矽(SiON)技術(shù)時，其他IC設(shè)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(shù)節(jié)點。
不過，目前市場上尚無IC設(shè)計業(yè)者正式宣布將以FinFET技術(shù)生產(chǎn)應用處理器的計劃，但相關(guān)研發(fā)作業(yè)正密切進行中，預估1年內(nèi)就會有大廠根據(jù)FinFET技術(shù)推出新款行動應用處理器。以下幾家晶片大廠的技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展藍圖將顯著影響其他IC設(shè)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(gòu)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IvyBridge設(shè)計，這個名為Haswell的新系列晶片，將采用(至少一開始會)與目前IvyBridge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(shù)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(gòu)，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BayTrail、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(shè)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(shù)，英特爾的Broadwell與CherryTrail可能成為次世代系統(tǒng)單晶片，將利用代號Airmont的架構(gòu)，在同一個晶粒上結(jié)合CPU、GPU和微控制器(MCU)。這個新型微架構(gòu)將是英特爾與安謀國際big.LITTLE架構(gòu)一決高下的重要利器。顯而易見，英特爾似乎在技術(shù)、設(shè)計與生產(chǎn)能力上略勝一籌，準備以自家晶片在行動領(lǐng)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(wù)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。[!--empirenews.page--]
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、A5R2、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AppleTV設(shè)計的新款處理器A5R3，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(shù)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(zhuǎn)向臺積電，且下一代A7晶片將以20奈米平面技術(shù)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(shù)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(shè)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)較佳，因為英特爾在行動晶片領(lǐng)域的實力仍待驗證。蘋果短期內(nèi)的業(yè)務(wù)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(wù)優(yōu)勢
三星ExynosOcta與Hexa這兩款應用處理器已采用28奈米平面技術(shù)；未來GalaxyS5與Note4還可能采用20奈米平面技術(shù)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(shù)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(shù)。
無庸置疑，垂直整合服務(wù)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(chǔ)建設(shè)設(shè)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(chǔ)建設(shè)設(shè)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(jié)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(guān)半導體產(chǎn)品方面，三星也在各領(lǐng)域握有極高的市占率，包括驅(qū)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(wù)關(guān)系。
高通將驅(qū)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(guān)鍵。目前，Snapdragon200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(shù)，與前一代以28奈米低耗能制程生產(chǎn)的SnapdragonS4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(shù)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(zhuǎn)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(shù)的首批顧客之一。至于FinFET應該會成為一種長期技術(shù)，未來產(chǎn)品都為以它為基礎(chǔ)進行設(shè)計，而高通終將大量采用FinFET技術(shù)，以其在市場上的重要地位，對晶圓代工業(yè)者的技術(shù)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(nèi)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(wù)關(guān)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(diào)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(shù)，未來，Gartner也預測，高通將帶動業(yè)界廣為采用FinFET技術(shù)，并促進晶圓廠全面統(tǒng)一FinFET技術(shù)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(shè)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(shù)上落后領(lǐng)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(shù)，但就長期規(guī)畫來說，絕對有必要在內(nèi)部建立起FinFET設(shè)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(guān)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(jié)構(gòu)，節(jié)能效率與速度的提升幅度卻愈來愈?。?0奈米平面電晶體技術(shù)預計最多可較28奈米減少25%之耗電，相較之下前一代移轉(zhuǎn)后卻能節(jié)省35%以上。然而，從28奈米平面技術(shù)移轉(zhuǎn)到14奈米FinFET卻能省下超過50%的耗電。FinFET技術(shù)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(shù)更受歡迎。
量產(chǎn)難度高FinFET觸發(fā)設(shè)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(shù)，無論在制程、設(shè)計、IP與電子設(shè)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(shù)的經(jīng)驗不再適用于FinFET，這意謂著相關(guān)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(CriticalDimension)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(DoublePatterning)微影技術(shù)。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-aspectRatio)的訊號繞線(SignalRouting)。[!--empirenews.page--]
從設(shè)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(shè)計(DFM)模型與規(guī)則、單一寬度電晶體的設(shè)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(shè)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(shù)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(guān)的半導體營收已超過PC，F(xiàn)inFET技術(shù)對行動產(chǎn)品也會日益重要。雖然FinFET會為晶圓制程技術(shù)與設(shè)計方法帶來極大變化，對晶圓廠、行動應用處理器設(shè)計公司、特殊應用IC設(shè)計服務(wù)商、電子設(shè)計自動化業(yè)者與IP供應商而言，移轉(zhuǎn)至FinFET技術(shù)的相關(guān)實作與支援都是未來帶動營收成長的關(guān)鍵所在。
利用FinFET技術(shù)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(shè)計業(yè)者要求晶圓廠具備相關(guān)技術(shù)。為縮短與英特爾之間的技術(shù)差距，晶圓代工業(yè)者皆已加速研發(fā)FinFET技術(shù)，但路途仍滿布荊棘。IC設(shè)計公司應擬定策略以發(fā)展FinFET設(shè)計能力，同時留意晶圓代工業(yè)者投入FinFET技術(shù)的狀況，以及競爭對手在相關(guān)產(chǎn)品的規(guī)畫。
(本文作者為Gartner研究副總裁)
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