FinFET引爆投資熱 半導(dǎo)體業(yè)啟動(dòng)新一輪競(jìng)賽
[導(dǎo)讀]半導(dǎo)體業(yè)界已發(fā)展出運(yùn)用FinFET的半導(dǎo)體制造技術(shù)，對(duì)制程流程、設(shè)備、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化、IP與設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生極大變化。特別是IDM業(yè)者與晶圓代工廠(chǎng)正競(jìng)相加碼研發(fā)以FinFET生產(chǎn)應(yīng)用處理器的技術(shù)，促使市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)急速升溫。
半導(dǎo)體業(yè)界已發(fā)展出運(yùn)用FinFET的半導(dǎo)體制造技術(shù)，對(duì)制程流程、設(shè)備、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化、IP與設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生極大變化。特別是IDM業(yè)者與晶圓代工廠(chǎng)正競(jìng)相加碼研發(fā)以FinFET生產(chǎn)應(yīng)用處理器的技術(shù)，促使市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)急速升溫。
過(guò)去數(shù)10年來(lái)，互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)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(kāi)發(fā)出高效能且更便宜的半導(dǎo)體晶片。
然而，電晶體在空間上的線(xiàn)性微縮已達(dá)極限，電晶體縮小到20奈米(nm)以下，會(huì)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(yīng)(Short Channel Effect)，而電晶體也會(huì)進(jìn)入不當(dāng)關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)而增加電子裝置待機(jī)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(kāi)機(jī)狀態(tài)」下增強(qiáng)電流，又稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)電流(Drive Current)。這些優(yōu)點(diǎn)能轉(zhuǎn)換為更低的耗電與更高的裝置效能。3D FinFET裝置預(yù)料將比傳統(tǒng)使用2D平面電晶體的產(chǎn)品更為精實(shí)，如此一來(lái)晶粒的整體尺寸也會(huì)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(lái)10年最重要的半導(dǎo)體制造技術(shù)，帶動(dòng)系統(tǒng)單晶片(SoC)產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)。
FinFET點(diǎn)燃晶圓代工廠(chǎng)戰(zhàn)火
綜觀(guān)全球市場(chǎng)，英特爾(Intel)是唯一完成FinFET制程技術(shù)實(shí)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)Ivy Bridge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(yīng)用產(chǎn)品，然而其已宣布將延伸至行動(dòng)裝置應(yīng)用處理器的開(kāi)發(fā)。英特爾更可望依循摩爾定律(Moore’s Law)，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(lái)幾年內(nèi)，愈來(lái)愈多頂尖IC設(shè)計(jì)業(yè)者將擴(kuò)大投資并導(dǎo)入FinFET技術(shù)，以制造更先進(jìn)的智慧型手機(jī)和平板應(yīng)用處理器(圖1)。為因應(yīng)客戶(hù)需求，臺(tái)積電、格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)與三星(Samsung)等主要晶圓代工廠(chǎng)已積極排定FinFET量產(chǎn)時(shí)程，最快可望于2013年第三季開(kāi)始試產(chǎn)FinFET制程，準(zhǔn)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(shí)間表預(yù)測(cè)；屆時(shí)，IC設(shè)計(jì)業(yè)者與晶圓代工廠(chǎng)合作下，將推出以FinFET技術(shù)為基礎(chǔ)的應(yīng)用處理器，與IDM業(yè)者共同角逐市場(chǎng)商機(jī)。
圖1 2007～2017年半導(dǎo)體委外服務(wù)產(chǎn)值預(yù)測(cè)資料來(lái)源：Gartner
圖2 各大晶圓廠(chǎng)FinFET量產(chǎn)時(shí)程表資料來(lái)源：Gartner(05/2013)
在FinFET制程技術(shù)方面，多數(shù)晶圓代工廠(chǎng)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(shí)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(jì)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(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，足以讓許多一線(xiàn)IC設(shè)計(jì)業(yè)者決定采用FinFET技術(shù)。此外，臺(tái)積電與格羅方德最近皆宣布，有意在14奈米FinFET技術(shù)上線(xiàn)2年后推動(dòng)10奈米制程。
檢視各家晶圓廠(chǎng)FinFET量產(chǎn)時(shí)間表，以及用來(lái)指涉16、14及10奈米制程的相關(guān)名稱(chēng)，因其系出于行銷(xiāo)需求，所以不具重大意義。一般咸認(rèn)，晶圓代工廠(chǎng)的第一代16/14奈米FinFET制程會(huì)較近似英特爾的22奈米制程，而晶圓代工廠(chǎng)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(fù)雜架構(gòu)掀波瀾FinFET引發(fā)產(chǎn)業(yè)連鎖反應(yīng)
比較不同廠(chǎng)商的FinFET技術(shù)時(shí)，須考慮下列因素，首先是安謀國(guó)際(ARM)核心的晶片尺寸、靜態(tài)隨機(jī)存取記憶體(SRAM)的晶粒大小(Cell Size)、設(shè)計(jì)規(guī)則、單元資料庫(kù)內(nèi)軌道的數(shù)量、速度及電力消耗。
無(wú)論頂尖IC設(shè)計(jì)業(yè)者采用何種FinFET技術(shù)制造行動(dòng)應(yīng)用處理器，都會(huì)在晶片效能與耗能方面有所進(jìn)展，因?yàn)槠矫婕夹g(shù)幾乎已達(dá)到極限，而且，一旦某家大型IC設(shè)計(jì)公司決定采用某種先進(jìn)技術(shù)，便可能會(huì)帶動(dòng)連鎖反應(yīng)，促使其他同業(yè)加緊導(dǎo)入同款制程技術(shù)。
舉例來(lái)說(shuō)，高通(Qualcomm)決定采用28奈米多晶矽氮氧化矽(SiON)技術(shù)時(shí)，其他IC設(shè)計(jì)公司也一窩蜂跟進(jìn)，讓28奈米低耗能制程變成極受歡迎的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。
不過(guò)，目前市場(chǎng)上尚無(wú)IC設(shè)計(jì)業(yè)者正式宣布將以FinFET技術(shù)生產(chǎn)應(yīng)用處理器的計(jì)劃，但相關(guān)研發(fā)作業(yè)正密切進(jìn)行中，預(yù)估1年內(nèi)就會(huì)有大廠(chǎng)根據(jù)FinFET技術(shù)推出新款行動(dòng)應(yīng)用處理器。以下幾家晶片大廠(chǎng)的技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展藍(lán)圖將顯著影響其他IC設(shè)計(jì)業(yè)者。
英特爾日漸重視行動(dòng)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(wú)論就時(shí)脈效能或低耗電而言均優(yōu)于現(xiàn)有的Ivy Bridge設(shè)計(jì)，這個(gè)名為Haswell的新系列晶片，將采用(至少一開(kāi)始會(huì))與目前Ivy Bridge晶片相同的22奈米FinFET制程。
與此同時(shí)，英特爾正積極尋求方法，希望利用其制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)搭上行動(dòng)產(chǎn)品成長(zhǎng)熱潮。確實(shí)，除Haswell外，英特爾尚推出代號(hào)為Silvermont的微架構(gòu)，將用于采用22奈米FinFET制程的三款應(yīng)用處理器，包括平板專(zhuān)用的Bay Trail、智慧手機(jī)專(zhuān)用的Merrifield，以及微伺服器(Microserver)專(zhuān)用的Avoton；第四款產(chǎn)品Rangeley則是為聯(lián)網(wǎng)裝置所設(shè)計(jì)。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Cherry Trail可能成為次世代系統(tǒng)單晶片，將利用代號(hào)Airmont的架構(gòu)，在同一個(gè)晶粒上結(jié)合CPU、GPU和微控制器(MCU)。這個(gè)新型微架構(gòu)將是英特爾與安謀國(guó)際big.LITTLE架構(gòu)一決高下的重要利器。
顯而易見(jiàn)，英特爾似乎在技術(shù)、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)能力上略勝一籌，準(zhǔn)備以自家晶片在行動(dòng)領(lǐng)域帶動(dòng)成長(zhǎng)。不過(guò)，英特爾新任執(zhí)行長(zhǎng)在未來(lái)的經(jīng)營(yíng)上仍充滿(mǎn)挑戰(zhàn)，尤其是行動(dòng)裝置業(yè)務(wù)方面，為與高通、聯(lián)發(fā)科競(jìng)爭(zhēng)，其須改變自身組織、降低生產(chǎn)成本、提高晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能利用率，還要部署更多的銷(xiāo)售與現(xiàn)場(chǎng)工程師，才能提高勝算。
蘋(píng)果成晶圓廠(chǎng)最具價(jià)值客戶(hù)之一 [!--empirenews.page--]
蘋(píng)果在過(guò)去幾乎將所有應(yīng)用處理器(A4、A5、A5 R2、A6與A6X)交由三星旗下大型積體電路(LSI)事業(yè)的晶圓廠(chǎng)代工，利用45和32奈米制程生產(chǎn)。近期，該公司為Apple TV設(shè)計(jì)的新款處理器A5 R3，亦采用三星32奈米制程，而截至2013上半年為止，蘋(píng)果尚未針對(duì)32奈米以下制程，甚至是FinFET技術(shù)推出應(yīng)用處理器。
盡管如此，近日盛傳，蘋(píng)果部分應(yīng)用處理器生產(chǎn)訂單將轉(zhuǎn)向臺(tái)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(dòng)16奈米FinFET制程的臺(tái)積電，以及積極研發(fā)14奈米制程的三星，都將蘋(píng)果視為FinFET技術(shù)最有價(jià)值的客戶(hù)之一，毫無(wú)疑問(wèn)地，未來(lái)蘋(píng)果應(yīng)用處理器可能很快就會(huì)投靠FinFET陣營(yíng)。
據(jù)顧能(Gartner)預(yù)估，2013年蘋(píng)果所有應(yīng)用處理器將需要七十萬(wàn)片12寸晶圓，這樣的量需要一家以上的12寸晶圓廠(chǎng)才足以供應(yīng)。蘋(píng)果決定與其他制造商合作，將對(duì)半導(dǎo)體制造業(yè)中晶圓廠(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)帶來(lái)明顯沖擊。
事實(shí)上，蘋(píng)果有了與三星興訟的經(jīng)驗(yàn)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(shì)的FinFET制程，例如更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)規(guī)則或更好的電晶體規(guī)格。雖說(shuō)蘋(píng)果若有任何晶圓供應(yīng)商的變動(dòng)都會(huì)進(jìn)行長(zhǎng)期規(guī)畫(huà)，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(chǎng)還是太過(guò)冒險(xiǎn)。
隨著純晶圓代工業(yè)者技術(shù)制造持續(xù)提升，蘋(píng)果亦不須與英特爾合作，且毋須擔(dān)心英特爾制程技術(shù)較佳，因?yàn)橛⑻貭栐谛袆?dòng)晶片領(lǐng)域的實(shí)力仍待驗(yàn)證。蘋(píng)果短期內(nèi)的業(yè)務(wù)重點(diǎn)應(yīng)放在如何提高i系列終端產(chǎn)品銷(xiāo)售量，一旦找到可靠的晶片供應(yīng)商，其應(yīng)用處理器的功能特色就比較不重要；這一點(diǎn)與高通大不相同，后者須提供特色更多的應(yīng)用處理器，以應(yīng)付不同的手機(jī)制造商客戶(hù)。
三星善用晶圓整合制造服務(wù)優(yōu)勢(shì)
三星Exynos Octa與Hexa這兩款應(yīng)用處理器已采用28奈米平面技術(shù)；未來(lái)Galaxy S5與Note 4還可能采用20奈米平面技術(shù)生產(chǎn)的晶片，足見(jiàn)其積極導(dǎo)入先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)的決心。不過(guò)，三星尚未傳出要以14奈米FinFET技術(shù)生產(chǎn)自家應(yīng)用處理器，但其約25%的手機(jī)與平板使用自家處理器，每年銷(xiāo)售量成長(zhǎng)將近20%的頂級(jí)手機(jī)產(chǎn)品，更高達(dá)45%比重，因此三星勢(shì)必計(jì)劃在未來(lái)的應(yīng)用處理器上采用自己的FinFET技術(shù)。
無(wú)庸置疑，垂直整合服務(wù)是三星在制造上的一大優(yōu)勢(shì)，從邏輯晶片到記憶體，一直到測(cè)試組裝、終端行動(dòng)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(dòng)裝置事業(yè)對(duì)晶圓代工產(chǎn)業(yè)的采購(gòu)能力，這樣晶圓代工客戶(hù)就能為三星行動(dòng)產(chǎn)品供應(yīng)晶片；此外，其電信部門(mén)亦提供基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)備，可用來(lái)推廣自家晶片。由此可推估，蘋(píng)果之所以無(wú)法輕易切斷三星LSI供貨，原因之一就是臺(tái)積電與英特爾無(wú)法提供這種結(jié)合可靠記憶體晶片貨源的封裝測(cè)試支援。
在其他行動(dòng)裝置相關(guān)半導(dǎo)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(dòng)IC、CMOS影像感測(cè)器與電源管理IC。三星的晶圓代工廠(chǎng)很容易就能與目標(biāo)顧客建立業(yè)務(wù)關(guān)系。
高通將驅(qū)動(dòng)FinFET規(guī)格統(tǒng)一
至于目前的行動(dòng)處理器一哥高通則將成為主導(dǎo)先進(jìn)制程導(dǎo)入的關(guān)鍵。目前，Snapdragon 200到800系列是高通最新推出的應(yīng)用處理器，全部采用臺(tái)積電28奈米高效能行動(dòng)(HPM)制程技術(shù)，與前一代以28奈米低耗能制程生產(chǎn)的Snapdragon S4晶片相比，效能可望提升75%。下一階段，晶圓代工廠(chǎng)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(wú)法提供高效能與低耗電等其他選項(xiàng)。
從縮短新款晶片上市所需時(shí)間的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，雖然高通持續(xù)移轉(zhuǎn)至20奈米節(jié)點(diǎn)的做法對(duì)產(chǎn)品效能提升有限，但高通將會(huì)成為采用晶圓代工廠(chǎng)20奈米平面技術(shù)的首批顧客之一。至于FinFET應(yīng)該會(huì)成為一種長(zhǎng)期技術(shù)，未來(lái)產(chǎn)品都為以它為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而高通終將大量采用FinFET技術(shù)，以其在市場(chǎng)上的重要地位，對(duì)晶圓代工業(yè)者的技術(shù)研發(fā)具有極大影響力。
不像蘋(píng)果和三星生產(chǎn)晶片僅供內(nèi)部使用，高通的晶片廣為蘋(píng)果、三星、諾基亞(Nokia)、BlackBerry、宏達(dá)電、樂(lè)金(LG)、中興及華為等業(yè)者所采用。高通晶片涵蓋各種應(yīng)用，包括Snapdragon應(yīng)用處理器、基頻處理器、收發(fā)器與無(wú)線(xiàn)連網(wǎng)Combo晶片，且已與主要晶圓代工廠(chǎng)建立良好的業(yè)務(wù)關(guān)系，帶來(lái)龐大的晶圓需求量，使其對(duì)晶圓廠(chǎng)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(dòng)整個(gè)業(yè)界采用28奈米低耗能技術(shù)，未來(lái)，Gartner也預(yù)測(cè)，高通將帶動(dòng)業(yè)界廣為采用FinFET技術(shù)，并促進(jìn)晶圓廠(chǎng)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(xiàn)處理器廠(chǎng)加速導(dǎo)入FinFET
在高通率先發(fā)難后，其他IC設(shè)計(jì)業(yè)者勢(shì)將積極跟進(jìn)，如輝達(dá)(NVIDIA)、聯(lián)發(fā)科與展訊在非蘋(píng)平板、低價(jià)白牌手機(jī)或中國(guó)大陸的TD-SCDMA手機(jī)應(yīng)用處理器市場(chǎng)中，占有率也相當(dāng)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(dǎo)入28奈米制程，且因晶圓廠(chǎng)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(zhǎng)期規(guī)畫(huà)來(lái)說(shuō)，絕對(duì)有必要在內(nèi)部建立起FinFET設(shè)計(jì)能力。
據(jù)Gartner在2013年第一季半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)展望報(bào)告中指出，由于行動(dòng)處理器導(dǎo)入先進(jìn)邏輯晶圓的需求攀升，行動(dòng)裝置相關(guān)半導(dǎo)體營(yíng)收已于2012年超過(guò)PC與筆電，預(yù)估未來(lái)半導(dǎo)體裝置需求主要來(lái)自行動(dòng)裝置與固態(tài)硬碟(SSD)；智慧型手機(jī)將在未來(lái)幾年呈現(xiàn)兩位數(shù)成長(zhǎng)，平板的成長(zhǎng)還將更強(qiáng)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(lái)愈??；20奈米平面電晶體技術(shù)預(yù)計(jì)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(guò)50%的耗電。FinFET技術(shù)未來(lái)應(yīng)用在CPU與行動(dòng)應(yīng)用處理器開(kāi)發(fā)上，應(yīng)該會(huì)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(jì)新商機(jī)
盡管業(yè)界一致看好FinFET帶來(lái)的效益，但要支援FinFET技術(shù)，無(wú)論在制程、設(shè)計(jì)、IP與電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具各方面都有眾多挑戰(zhàn)，且過(guò)去許多2D平面技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)不再適用于FinFET，這意謂著相關(guān)供應(yīng)鏈業(yè)者必須有新的投資計(jì)劃。
從晶圓制程的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，不論是晶圓前段制程或后段制程都須達(dá)到原子級(jí)的準(zhǔn)確蝕刻(Etching)，且要提升臨界尺度(Critical Dimension)控制、減少矽材的蝕刻損傷、增加化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)及雙重曝光(Double Patterning)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-aspect Ratio)的訊號(hào)繞線(xiàn)(Signal Routing)。 [!--empirenews.page--]
從設(shè)計(jì)面來(lái)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(jì)(DFM)模型與規(guī)則、單一寬度電晶體的設(shè)計(jì)、電晶體種類(lèi)減少、電壓降低的處理，以及布局依賴(lài)(Layout-dependent)的設(shè)計(jì)，勢(shì)將帶動(dòng)新一波半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)投資研發(fā)動(dòng)能，做大市場(chǎng)大餅。
無(wú)庸置疑，F(xiàn)inFET技術(shù)將在未來(lái)10年帶動(dòng)半導(dǎo)體業(yè)成長(zhǎng)。由于智慧型手機(jī)與平板相關(guān)的半導(dǎo)體營(yíng)收已超過(guò)PC，F(xiàn)inFET技術(shù)對(duì)行動(dòng)產(chǎn)品也會(huì)日益重要。雖然FinFET會(huì)為晶圓制程技術(shù)與設(shè)計(jì)方法帶來(lái)極大變化，對(duì)晶圓廠(chǎng)、行動(dòng)應(yīng)用處理器設(shè)計(jì)公司、特殊應(yīng)用IC設(shè)計(jì)服務(wù)商、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化業(yè)者與IP供應(yīng)商而言，移轉(zhuǎn)至FinFET技術(shù)的相關(guān)實(shí)作與支援都是未來(lái)帶動(dòng)營(yíng)收成長(zhǎng)的關(guān)鍵所在。
利用FinFET技術(shù)提高邏輯SoC效能的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，而FinFET低耗電的優(yōu)點(diǎn)，也促使主攻應(yīng)用處理器的各大IC設(shè)計(jì)業(yè)者要求晶圓廠(chǎng)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(mǎn)布荊棘。IC設(shè)計(jì)公司應(yīng)擬定策略以發(fā)展FinFET設(shè)計(jì)能力，同時(shí)留意晶圓代工業(yè)者投入FinFET技術(shù)的狀況，以及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在相關(guān)產(chǎn)品的規(guī)畫(huà)。
(本文作者為Gartner研究副總裁)
過(guò)去數(shù)10年來(lái)，互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)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(kāi)發(fā)出高效能且更便宜的半導(dǎo)體晶片。
然而，電晶體在空間上的線(xiàn)性微縮已達(dá)極限，電晶體縮小到20奈米(nm)以下，會(huì)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(yīng)(Short Channel Effect)，而電晶體也會(huì)進(jìn)入不當(dāng)關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)而增加電子裝置待機(jī)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(kāi)機(jī)狀態(tài)」下增強(qiáng)電流，又稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)電流(Drive Current)。這些優(yōu)點(diǎn)能轉(zhuǎn)換為更低的耗電與更高的裝置效能。3D FinFET裝置預(yù)料將比傳統(tǒng)使用2D平面電晶體的產(chǎn)品更為精實(shí)，如此一來(lái)晶粒的整體尺寸也會(huì)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(lái)10年最重要的半導(dǎo)體制造技術(shù)，帶動(dòng)系統(tǒng)單晶片(SoC)產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)。
FinFET點(diǎn)燃晶圓代工廠(chǎng)戰(zhàn)火
綜觀(guān)全球市場(chǎng)，英特爾(Intel)是唯一完成FinFET制程技術(shù)實(shí)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)Ivy Bridge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(yīng)用產(chǎn)品，然而其已宣布將延伸至行動(dòng)裝置應(yīng)用處理器的開(kāi)發(fā)。英特爾更可望依循摩爾定律(Moore’s Law)，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(lái)幾年內(nèi)，愈來(lái)愈多頂尖IC設(shè)計(jì)業(yè)者將擴(kuò)大投資并導(dǎo)入FinFET技術(shù)，以制造更先進(jìn)的智慧型手機(jī)和平板應(yīng)用處理器(圖1)。為因應(yīng)客戶(hù)需求，臺(tái)積電、格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)與三星(Samsung)等主要晶圓代工廠(chǎng)已積極排定FinFET量產(chǎn)時(shí)程，最快可望于2013年第三季開(kāi)始試產(chǎn)FinFET制程，準(zhǔn)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(shí)間表預(yù)測(cè)；屆時(shí)，IC設(shè)計(jì)業(yè)者與晶圓代工廠(chǎng)合作下，將推出以FinFET技術(shù)為基礎(chǔ)的應(yīng)用處理器，與IDM業(yè)者共同角逐市場(chǎng)商機(jī)。
圖1 2007～2017年半導(dǎo)體委外服務(wù)產(chǎn)值預(yù)測(cè)資料來(lái)源：Gartner
圖2 各大晶圓廠(chǎng)FinFET量產(chǎn)時(shí)程表資料來(lái)源：Gartner(05/2013)
在FinFET制程技術(shù)方面，多數(shù)晶圓代工廠(chǎng)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(shí)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(jì)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(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，足以讓許多一線(xiàn)IC設(shè)計(jì)業(yè)者決定采用FinFET技術(shù)。此外，臺(tái)積電與格羅方德最近皆宣布，有意在14奈米FinFET技術(shù)上線(xiàn)2年后推動(dòng)10奈米制程。
檢視各家晶圓廠(chǎng)FinFET量產(chǎn)時(shí)間表，以及用來(lái)指涉16、14及10奈米制程的相關(guān)名稱(chēng)，因其系出于行銷(xiāo)需求，所以不具重大意義。一般咸認(rèn)，晶圓代工廠(chǎng)的第一代16/14奈米FinFET制程會(huì)較近似英特爾的22奈米制程，而晶圓代工廠(chǎng)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(fù)雜架構(gòu)掀波瀾FinFET引發(fā)產(chǎn)業(yè)連鎖反應(yīng)
比較不同廠(chǎng)商的FinFET技術(shù)時(shí)，須考慮下列因素，首先是安謀國(guó)際(ARM)核心的晶片尺寸、靜態(tài)隨機(jī)存取記憶體(SRAM)的晶粒大小(Cell Size)、設(shè)計(jì)規(guī)則、單元資料庫(kù)內(nèi)軌道的數(shù)量、速度及電力消耗。
無(wú)論頂尖IC設(shè)計(jì)業(yè)者采用何種FinFET技術(shù)制造行動(dòng)應(yīng)用處理器，都會(huì)在晶片效能與耗能方面有所進(jìn)展，因?yàn)槠矫婕夹g(shù)幾乎已達(dá)到極限，而且，一旦某家大型IC設(shè)計(jì)公司決定采用某種先進(jìn)技術(shù)，便可能會(huì)帶動(dòng)連鎖反應(yīng)，促使其他同業(yè)加緊導(dǎo)入同款制程技術(shù)。
舉例來(lái)說(shuō)，高通(Qualcomm)決定采用28奈米多晶矽氮氧化矽(SiON)技術(shù)時(shí)，其他IC設(shè)計(jì)公司也一窩蜂跟進(jìn)，讓28奈米低耗能制程變成極受歡迎的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。
不過(guò)，目前市場(chǎng)上尚無(wú)IC設(shè)計(jì)業(yè)者正式宣布將以FinFET技術(shù)生產(chǎn)應(yīng)用處理器的計(jì)劃，但相關(guān)研發(fā)作業(yè)正密切進(jìn)行中，預(yù)估1年內(nèi)就會(huì)有大廠(chǎng)根據(jù)FinFET技術(shù)推出新款行動(dòng)應(yīng)用處理器。以下幾家晶片大廠(chǎng)的技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展藍(lán)圖將顯著影響其他IC設(shè)計(jì)業(yè)者。
英特爾日漸重視行動(dòng)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(wú)論就時(shí)脈效能或低耗電而言均優(yōu)于現(xiàn)有的Ivy Bridge設(shè)計(jì)，這個(gè)名為Haswell的新系列晶片，將采用(至少一開(kāi)始會(huì))與目前Ivy Bridge晶片相同的22奈米FinFET制程。
與此同時(shí)，英特爾正積極尋求方法，希望利用其制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)搭上行動(dòng)產(chǎn)品成長(zhǎng)熱潮。確實(shí)，除Haswell外，英特爾尚推出代號(hào)為Silvermont的微架構(gòu)，將用于采用22奈米FinFET制程的三款應(yīng)用處理器，包括平板專(zhuān)用的Bay Trail、智慧手機(jī)專(zhuān)用的Merrifield，以及微伺服器(Microserver)專(zhuān)用的Avoton；第四款產(chǎn)品Rangeley則是為聯(lián)網(wǎng)裝置所設(shè)計(jì)。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Cherry Trail可能成為次世代系統(tǒng)單晶片，將利用代號(hào)Airmont的架構(gòu)，在同一個(gè)晶粒上結(jié)合CPU、GPU和微控制器(MCU)。這個(gè)新型微架構(gòu)將是英特爾與安謀國(guó)際big.LITTLE架構(gòu)一決高下的重要利器。
顯而易見(jiàn)，英特爾似乎在技術(shù)、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)能力上略勝一籌，準(zhǔn)備以自家晶片在行動(dòng)領(lǐng)域帶動(dòng)成長(zhǎng)。不過(guò)，英特爾新任執(zhí)行長(zhǎng)在未來(lái)的經(jīng)營(yíng)上仍充滿(mǎn)挑戰(zhàn)，尤其是行動(dòng)裝置業(yè)務(wù)方面，為與高通、聯(lián)發(fā)科競(jìng)爭(zhēng)，其須改變自身組織、降低生產(chǎn)成本、提高晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能利用率，還要部署更多的銷(xiāo)售與現(xiàn)場(chǎng)工程師，才能提高勝算。
蘋(píng)果成晶圓廠(chǎng)最具價(jià)值客戶(hù)之一 [!--empirenews.page--]
蘋(píng)果在過(guò)去幾乎將所有應(yīng)用處理器(A4、A5、A5 R2、A6與A6X)交由三星旗下大型積體電路(LSI)事業(yè)的晶圓廠(chǎng)代工，利用45和32奈米制程生產(chǎn)。近期，該公司為Apple TV設(shè)計(jì)的新款處理器A5 R3，亦采用三星32奈米制程，而截至2013上半年為止，蘋(píng)果尚未針對(duì)32奈米以下制程，甚至是FinFET技術(shù)推出應(yīng)用處理器。
盡管如此，近日盛傳，蘋(píng)果部分應(yīng)用處理器生產(chǎn)訂單將轉(zhuǎn)向臺(tái)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(dòng)16奈米FinFET制程的臺(tái)積電，以及積極研發(fā)14奈米制程的三星，都將蘋(píng)果視為FinFET技術(shù)最有價(jià)值的客戶(hù)之一，毫無(wú)疑問(wèn)地，未來(lái)蘋(píng)果應(yīng)用處理器可能很快就會(huì)投靠FinFET陣營(yíng)。
據(jù)顧能(Gartner)預(yù)估，2013年蘋(píng)果所有應(yīng)用處理器將需要七十萬(wàn)片12寸晶圓，這樣的量需要一家以上的12寸晶圓廠(chǎng)才足以供應(yīng)。蘋(píng)果決定與其他制造商合作，將對(duì)半導(dǎo)體制造業(yè)中晶圓廠(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)帶來(lái)明顯沖擊。
事實(shí)上，蘋(píng)果有了與三星興訟的經(jīng)驗(yàn)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(shì)的FinFET制程，例如更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)規(guī)則或更好的電晶體規(guī)格。雖說(shuō)蘋(píng)果若有任何晶圓供應(yīng)商的變動(dòng)都會(huì)進(jìn)行長(zhǎng)期規(guī)畫(huà)，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(chǎng)還是太過(guò)冒險(xiǎn)。
隨著純晶圓代工業(yè)者技術(shù)制造持續(xù)提升，蘋(píng)果亦不須與英特爾合作，且毋須擔(dān)心英特爾制程技術(shù)較佳，因?yàn)橛⑻貭栐谛袆?dòng)晶片領(lǐng)域的實(shí)力仍待驗(yàn)證。蘋(píng)果短期內(nèi)的業(yè)務(wù)重點(diǎn)應(yīng)放在如何提高i系列終端產(chǎn)品銷(xiāo)售量，一旦找到可靠的晶片供應(yīng)商，其應(yīng)用處理器的功能特色就比較不重要；這一點(diǎn)與高通大不相同，后者須提供特色更多的應(yīng)用處理器，以應(yīng)付不同的手機(jī)制造商客戶(hù)。
三星善用晶圓整合制造服務(wù)優(yōu)勢(shì)
三星Exynos Octa與Hexa這兩款應(yīng)用處理器已采用28奈米平面技術(shù)；未來(lái)Galaxy S5與Note 4還可能采用20奈米平面技術(shù)生產(chǎn)的晶片，足見(jiàn)其積極導(dǎo)入先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)的決心。不過(guò)，三星尚未傳出要以14奈米FinFET技術(shù)生產(chǎn)自家應(yīng)用處理器，但其約25%的手機(jī)與平板使用自家處理器，每年銷(xiāo)售量成長(zhǎng)將近20%的頂級(jí)手機(jī)產(chǎn)品，更高達(dá)45%比重，因此三星勢(shì)必計(jì)劃在未來(lái)的應(yīng)用處理器上采用自己的FinFET技術(shù)。
無(wú)庸置疑，垂直整合服務(wù)是三星在制造上的一大優(yōu)勢(shì)，從邏輯晶片到記憶體，一直到測(cè)試組裝、終端行動(dòng)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(dòng)裝置事業(yè)對(duì)晶圓代工產(chǎn)業(yè)的采購(gòu)能力，這樣晶圓代工客戶(hù)就能為三星行動(dòng)產(chǎn)品供應(yīng)晶片；此外，其電信部門(mén)亦提供基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)備，可用來(lái)推廣自家晶片。由此可推估，蘋(píng)果之所以無(wú)法輕易切斷三星LSI供貨，原因之一就是臺(tái)積電與英特爾無(wú)法提供這種結(jié)合可靠記憶體晶片貨源的封裝測(cè)試支援。
在其他行動(dòng)裝置相關(guān)半導(dǎo)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(dòng)IC、CMOS影像感測(cè)器與電源管理IC。三星的晶圓代工廠(chǎng)很容易就能與目標(biāo)顧客建立業(yè)務(wù)關(guān)系。
高通將驅(qū)動(dòng)FinFET規(guī)格統(tǒng)一
至于目前的行動(dòng)處理器一哥高通則將成為主導(dǎo)先進(jìn)制程導(dǎo)入的關(guān)鍵。目前，Snapdragon 200到800系列是高通最新推出的應(yīng)用處理器，全部采用臺(tái)積電28奈米高效能行動(dòng)(HPM)制程技術(shù)，與前一代以28奈米低耗能制程生產(chǎn)的Snapdragon S4晶片相比，效能可望提升75%。下一階段，晶圓代工廠(chǎng)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(wú)法提供高效能與低耗電等其他選項(xiàng)。
從縮短新款晶片上市所需時(shí)間的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，雖然高通持續(xù)移轉(zhuǎn)至20奈米節(jié)點(diǎn)的做法對(duì)產(chǎn)品效能提升有限，但高通將會(huì)成為采用晶圓代工廠(chǎng)20奈米平面技術(shù)的首批顧客之一。至于FinFET應(yīng)該會(huì)成為一種長(zhǎng)期技術(shù)，未來(lái)產(chǎn)品都為以它為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而高通終將大量采用FinFET技術(shù)，以其在市場(chǎng)上的重要地位，對(duì)晶圓代工業(yè)者的技術(shù)研發(fā)具有極大影響力。
不像蘋(píng)果和三星生產(chǎn)晶片僅供內(nèi)部使用，高通的晶片廣為蘋(píng)果、三星、諾基亞(Nokia)、BlackBerry、宏達(dá)電、樂(lè)金(LG)、中興及華為等業(yè)者所采用。高通晶片涵蓋各種應(yīng)用，包括Snapdragon應(yīng)用處理器、基頻處理器、收發(fā)器與無(wú)線(xiàn)連網(wǎng)Combo晶片，且已與主要晶圓代工廠(chǎng)建立良好的業(yè)務(wù)關(guān)系，帶來(lái)龐大的晶圓需求量，使其對(duì)晶圓廠(chǎng)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(dòng)整個(gè)業(yè)界采用28奈米低耗能技術(shù)，未來(lái)，Gartner也預(yù)測(cè)，高通將帶動(dòng)業(yè)界廣為采用FinFET技術(shù)，并促進(jìn)晶圓廠(chǎng)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(xiàn)處理器廠(chǎng)加速導(dǎo)入FinFET
在高通率先發(fā)難后，其他IC設(shè)計(jì)業(yè)者勢(shì)將積極跟進(jìn)，如輝達(dá)(NVIDIA)、聯(lián)發(fā)科與展訊在非蘋(píng)平板、低價(jià)白牌手機(jī)或中國(guó)大陸的TD-SCDMA手機(jī)應(yīng)用處理器市場(chǎng)中，占有率也相當(dāng)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(dǎo)入28奈米制程，且因晶圓廠(chǎng)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(zhǎng)期規(guī)畫(huà)來(lái)說(shuō)，絕對(duì)有必要在內(nèi)部建立起FinFET設(shè)計(jì)能力。
據(jù)Gartner在2013年第一季半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)展望報(bào)告中指出，由于行動(dòng)處理器導(dǎo)入先進(jìn)邏輯晶圓的需求攀升，行動(dòng)裝置相關(guān)半導(dǎo)體營(yíng)收已于2012年超過(guò)PC與筆電，預(yù)估未來(lái)半導(dǎo)體裝置需求主要來(lái)自行動(dòng)裝置與固態(tài)硬碟(SSD)；智慧型手機(jī)將在未來(lái)幾年呈現(xiàn)兩位數(shù)成長(zhǎng)，平板的成長(zhǎng)還將更強(qiáng)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(lái)愈??；20奈米平面電晶體技術(shù)預(yù)計(jì)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(guò)50%的耗電。FinFET技術(shù)未來(lái)應(yīng)用在CPU與行動(dòng)應(yīng)用處理器開(kāi)發(fā)上，應(yīng)該會(huì)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(jì)新商機(jī)
盡管業(yè)界一致看好FinFET帶來(lái)的效益，但要支援FinFET技術(shù)，無(wú)論在制程、設(shè)計(jì)、IP與電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具各方面都有眾多挑戰(zhàn)，且過(guò)去許多2D平面技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)不再適用于FinFET，這意謂著相關(guān)供應(yīng)鏈業(yè)者必須有新的投資計(jì)劃。
從晶圓制程的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，不論是晶圓前段制程或后段制程都須達(dá)到原子級(jí)的準(zhǔn)確蝕刻(Etching)，且要提升臨界尺度(Critical Dimension)控制、減少矽材的蝕刻損傷、增加化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)及雙重曝光(Double Patterning)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-aspect Ratio)的訊號(hào)繞線(xiàn)(Signal Routing)。 [!--empirenews.page--]
從設(shè)計(jì)面來(lái)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(jì)(DFM)模型與規(guī)則、單一寬度電晶體的設(shè)計(jì)、電晶體種類(lèi)減少、電壓降低的處理，以及布局依賴(lài)(Layout-dependent)的設(shè)計(jì)，勢(shì)將帶動(dòng)新一波半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)投資研發(fā)動(dòng)能，做大市場(chǎng)大餅。
無(wú)庸置疑，F(xiàn)inFET技術(shù)將在未來(lái)10年帶動(dòng)半導(dǎo)體業(yè)成長(zhǎng)。由于智慧型手機(jī)與平板相關(guān)的半導(dǎo)體營(yíng)收已超過(guò)PC，F(xiàn)inFET技術(shù)對(duì)行動(dòng)產(chǎn)品也會(huì)日益重要。雖然FinFET會(huì)為晶圓制程技術(shù)與設(shè)計(jì)方法帶來(lái)極大變化，對(duì)晶圓廠(chǎng)、行動(dòng)應(yīng)用處理器設(shè)計(jì)公司、特殊應(yīng)用IC設(shè)計(jì)服務(wù)商、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化業(yè)者與IP供應(yīng)商而言，移轉(zhuǎn)至FinFET技術(shù)的相關(guān)實(shí)作與支援都是未來(lái)帶動(dòng)營(yíng)收成長(zhǎng)的關(guān)鍵所在。
利用FinFET技術(shù)提高邏輯SoC效能的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，而FinFET低耗電的優(yōu)點(diǎn)，也促使主攻應(yīng)用處理器的各大IC設(shè)計(jì)業(yè)者要求晶圓廠(chǎng)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(mǎn)布荊棘。IC設(shè)計(jì)公司應(yīng)擬定策略以發(fā)展FinFET設(shè)計(jì)能力，同時(shí)留意晶圓代工業(yè)者投入FinFET技術(shù)的狀況，以及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在相關(guān)產(chǎn)品的規(guī)畫(huà)。
(本文作者為Gartner研究副總裁)
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