制程技術(shù)向7nm大躍進(jìn)，3D IC硬著頭皮也要上

GlobalFoundries 公司正在仔細(xì)考慮其 20nm 節(jié)點(diǎn)的低功耗和高性能等不同制程技術(shù)，而在此同時(shí)，多家芯片業(yè)高層也齊聚一堂，共同探討即將在2014年來(lái)臨的 3D IC ，以及進(jìn)一步往 7nm 節(jié)點(diǎn)發(fā)展的途徑。
IBM 的專家指出，下一代的20nm節(jié)點(diǎn)可支持最佳化的低功耗和高性能制程技術(shù)。而 GlobalFoundries 將在今年八月決定，是否提供這些不同的制程選項(xiàng)。

這些僅僅是今年度 GSA Silicon Summit 上討論的兩個(gè)焦點(diǎn)。與會(huì)的芯片業(yè)高層還討論了預(yù)計(jì)在2014年到來(lái)，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)的 3D IC ，以及腳步緩慢但仍然預(yù)見可朝 7nm 邁進(jìn)的 CMOS 微縮技術(shù)。

“臺(tái)積電最近表示其 20nm 節(jié)點(diǎn)在制程最佳化方面并沒(méi)有顯著差異，但我并不這么認(rèn)為，” IBM 院士暨微電子部門首席技術(shù)專家Subramanian Iyer說(shuō)?！拔蚁嘈?，在相同的節(jié)點(diǎn)上，你可以擁有兩種不同的制程，”他在主題演講中表示。

事實(shí)上， GlobalFoundries 正在考慮是否是在為 20nm 提供高性能和低功耗制程。

“我們?nèi)栽谂c主要客戶討論該做些什么，針對(duì)性能和功耗方面，可能要做出更多取舍，” GlobalFoundries 先進(jìn)技術(shù)架構(gòu)主管Subramani Kengeri表示。

他指出， 20nm 的變化空間可能相對(duì)更加狹小，而且從經(jīng)濟(jì)面來(lái)看也未必可行。IBM的Iyer則認(rèn)為，臺(tái)積電決定僅提供一種20nm制程，其經(jīng)濟(jì)面的考量可能多于技術(shù)面。

接下來(lái)，采用FinFET的14nm制程，則將為芯片產(chǎn)業(yè)開創(chuàng)更大的機(jī)會(huì)，如提供0.9V的高性能版本，以及0.6V的低功耗變種制程等。此外，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移到一個(gè)新制程節(jié)點(diǎn)相較，14nm節(jié)點(diǎn)可提供的利益也預(yù)估將高出兩倍之多。

從歷史角度來(lái)看，要為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)提供不同制程變化，都會(huì)需要在基礎(chǔ)制程上添加獨(dú)特且復(fù)雜的特性，IBM的Iyer說(shuō)。他指出，過(guò)去，我們?cè)诿恳淮瞥坦?jié)點(diǎn)都擁有不同功能的制程，現(xiàn)在不大可能驟然讓它們完全消失。


20nm仍有變化空間，Subramanian Iyer說(shuō)。
2014年，迎接3D IC到來(lái)

此外，芯片業(yè)高層也探討了幾種可望在2014年量產(chǎn)，采用硅穿孔(TSV)的3D IC。

思科系統(tǒng)(Cisco Systems)封裝專家暨技術(shù)品質(zhì)部副總裁Mark Brillhart表示，3D IC將改變游戲規(guī)則。他認(rèn)為3D IC將有幾種不同的形式，而且很快就會(huì)步入大量應(yīng)用。



“自1996年的覆晶封裝技術(shù)熱潮以來(lái)，我從未想象過(guò)封裝技術(shù)能再次令人感到振奮，”Brillhart說(shuō)。

高通(Qualcomm)“非常高興”能在實(shí)驗(yàn)室中采用Xilinx的2.5D FPGA來(lái)開發(fā)原型，高通工程部副總裁Nick Yu表示。他預(yù)計(jì)，運(yùn)用TSV來(lái)鏈接Wide I/O的高階智能手機(jī)用行動(dòng)應(yīng)用處理器最快今年或明年便可問(wèn)世。

“我們會(huì)在許多不同領(lǐng)域看到這些強(qiáng)大的3D技術(shù)，”IBM的Iyer表示，他們已經(jīng)制造出了數(shù)款使用TSV堆棧處理器和DRAM的原型產(chǎn)品。

目前的CPU有8～12個(gè)核心，未來(lái)還將朝采用3D IC技術(shù)，堆棧24個(gè)核心與DRAM還有散熱片的方向發(fā)展。IBM也對(duì)于‘在硅中介層上建構(gòu)系統(tǒng)’(system on an interposer)的2.5D模塊深感興趣，在這些模塊中，內(nèi)存芯片在硅基板上圍繞著處理器而建置，并使用去耦電容來(lái)改善功率調(diào)節(jié)性能。

“這個(gè)領(lǐng)域不斷出現(xiàn)更多的創(chuàng)新，它們將帶來(lái)更顯著的差異化，但共同點(diǎn)在于它們都將提供適合行動(dòng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，”他補(bǔ)充說(shuō)。

但3D芯片仍有許多待解的難題。工程師仍不知如何解決3D IC產(chǎn)生的熱問(wèn)題，他們需要新的測(cè)試策略和制造工具，他們也正在推動(dòng)各領(lǐng)域的設(shè)計(jì)師們形成新的供應(yīng)鏈，就各種技術(shù)和商業(yè)問(wèn)題展開深入合作及探索。

“現(xiàn)階段，成本是3D芯片面臨的最大問(wèn)題，”高通的Yu表示。

他表示，臺(tái)積電提出的端對(duì)端(end-to-end) 3D服務(wù)會(huì)是低成本的說(shuō)法并不能讓他信服。他進(jìn)一指出，不同的3D產(chǎn)品會(huì)需要不同的供應(yīng)鏈。

“設(shè)備占單位成本很大一部份，”日月光集團(tuán)(ASE Group)工程暨業(yè)務(wù)部資深副總裁Rich Rice說(shuō)。該公司正在安裝接合╱分離(bonding/de-bonding)、晶圓薄化和其它負(fù)責(zé)處理所謂3D制程中間步驟的設(shè)備?！凹词故窃谳^傳統(tǒng) 的后段制程領(lǐng)域，當(dāng)我們決定量產(chǎn)，我們也必須擔(dān)負(fù)必要的資本支出，”Rice說(shuō)。

應(yīng)用材料(Applied Materials)發(fā)言人指出，業(yè)界需要新的3D系統(tǒng)，設(shè)備制造商正在努力準(zhǔn)備為450mm晶圓和20、14nm節(jié)點(diǎn)做準(zhǔn)備。

思科的Brillhart表示，他擔(dān)憂的事情還有很多，包括為了找到讓3D芯片獲利的可行方法，彼此競(jìng)爭(zhēng)的公司有時(shí)也必須合作。

摩爾定律步伐緩慢

好消息是，專家們認(rèn)為，一直到至少7nm節(jié)點(diǎn)，都不會(huì)出現(xiàn)根本性的障礙。但壞消息則是“更微小節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)正不斷被侵蝕，”IBM的Iyer說(shuō)。



罪魁禍?zhǔn)拙臀⒂凹夹g(shù)。今天業(yè)界采用的193nm浸入式微影技術(shù)已經(jīng)被要求用在22甚至14nm節(jié)點(diǎn)。

“這導(dǎo)致了愈來(lái)愈高的成本，”Iyer說(shuō)?！傲硗?，復(fù)雜的圖形解決方案也讓我們感到焦慮?！?br>
微影成本確實(shí)會(huì)在20nm和14nm節(jié)點(diǎn)劇烈飆升，GlobalFoundries的Kengeri表示。他指出，額外的復(fù)雜性以及制程和設(shè)計(jì)成本，是讓傳統(tǒng)芯片產(chǎn)業(yè)每?jī)赡昕缭揭粋€(gè)技術(shù)世代的時(shí)程開始延長(zhǎng)的主要原因之一。

業(yè)界多花費(fèi)了三季的時(shí)間來(lái)達(dá)到符合品質(zhì)要求的32/28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，這要比過(guò)去所花費(fèi)的時(shí)間多出一季，Kengeri說(shuō)?！翱煽吹秸麄€(gè)產(chǎn)業(yè)的腳步正在趨緩，”他表示。

根據(jù)美林(Merrill Lynch)的報(bào)告，一個(gè)14nm的SoC項(xiàng)目成本可能會(huì)上揚(yáng)到2.5億美元，Marvell Semiconductor制造部副總裁Roawen Chen說(shuō)。光罩成本約700萬(wàn)美元，且從投片到產(chǎn)出首個(gè)硅芯片的時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)到六個(gè)月，他表示。

“事實(shí)是它將變得更加昂貴，”Chen說(shuō)。

但也有好消息，IBM的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了制造出僅內(nèi)含25個(gè)原子組件的方法，這為邁向7nm制程節(jié)點(diǎn)開啟了全新道路。“在朝7nm前進(jìn)的道路上，我們并沒(méi)有看到根本性的問(wèn)題存在，”Iyer說(shuō)。