全球晶圓代工市場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)移至16/14納米制程的鰭式場(chǎng)效電晶體(FinFET)技術(shù),最初由芯片大廠英特爾(Intel)帶動(dòng),而后三星電子(Samsung Electronics)與臺(tái)積電加入戰(zhàn)局,GlobalFoundries也將很快涉足此新興市場(chǎng)。不過(guò)由于技術(shù)、成本等因素,導(dǎo)致各大廠比預(yù)期還要晚推出FinFET量產(chǎn)計(jì)劃。
據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)Gartner報(bào)告,各大晶圓廠原訂2014年第3季量產(chǎn)16/14納米制程FinFET芯片,目前各大廠進(jìn)程比當(dāng)初原訂計(jì)劃延后至少2~4季,分析師認(rèn)為主要肇因于技術(shù)和成本的挑戰(zhàn)。
Semiconductor Engineering網(wǎng)站指出,各大晶圓廠導(dǎo)入FinFET技術(shù)后,面臨預(yù)期之外的技術(shù)掌握困難,包括新的多重曝光(multiple patterning)流程、芯片良率(yield)以及后端制程銜接等調(diào)整。
英特爾為提升芯片良率,比原訂計(jì)劃晚幾個(gè)月開始導(dǎo)入14納米制程FinFET芯片,至2014年底才生產(chǎn),導(dǎo)致下游廠商Altera也將其14納米FPGA生產(chǎn)日期從2014年延至2015年底。而其他晶圓代工廠與下游廠商,在FinFET相關(guān)產(chǎn)品線亦有類似延后生產(chǎn)情形。
傳統(tǒng)平面型(planar)芯片一旦縮小到20納米以下,會(huì)產(chǎn)生短通道效應(yīng)(short channel effect),電晶體會(huì)不當(dāng)關(guān)閉,也讓電子裝置耗用更多待機(jī)電能。采FinFET技術(shù)的立體結(jié)構(gòu)芯片,則能縮小芯片尺寸、改善漏電流問(wèn)題并提升效能,因此芯片業(yè)者若想進(jìn)到16/14納米或者更小的芯片市場(chǎng),勢(shì)必要轉(zhuǎn)戰(zhàn)FinFET芯片。
然而,半導(dǎo)體業(yè)者在轉(zhuǎn)型FinFET之路上,面臨設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、以及成本三方挑戰(zhàn)。臺(tái)積電共同執(zhí)行長(zhǎng)劉德音指出,新型芯片使得電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟體愈趨復(fù)雜,以前只需要1年前開始準(zhǔn)備,現(xiàn)在則需更多時(shí)間與資源,大幅提高成本。
此外,工程師需要依據(jù)16/14納米制程的雙重曝光(double patterning)技術(shù),重新設(shè)計(jì)作業(yè)流程,16/14納米制程也更需要考量光罩(mask)層次的標(biāo)色分解與布局。產(chǎn)制流程也將面臨很大技術(shù)挑戰(zhàn),像是晶圓蝕刻、測(cè)量、缺陷檢測(cè)等設(shè)備都需投注大筆資金進(jìn)行升級(jí)。
GlobalFoundries設(shè)計(jì)研究部門董事Richard Trihy表示,雙重曝光影響到整個(gè)設(shè)計(jì)制程,像是寄生電容抽取與變動(dòng)(parasitic extraction and variation)與設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)工具等等,各大晶圓廠也正引進(jìn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation;EDA)工具,降低FinFET對(duì)工程師的轉(zhuǎn)型沖擊。
而資本是生產(chǎn)FinFET芯片最大的挑戰(zhàn),根據(jù)Gartner資料,傳統(tǒng)28納米平面型電晶體設(shè)計(jì)價(jià)位約3,000萬(wàn)美元,中階14納米單芯片(SoC)設(shè)計(jì)定價(jià)則在8,000萬(wàn)美元左右,成本相差近3倍。
若加上程式開發(fā)與光罩成本還要加上60%成本價(jià),高階SoC更是中階SoC的雙倍價(jià)格。也因?yàn)樵靸r(jià)昂貴,許多只付得起28納米芯片的廠商,暫時(shí)將不轉(zhuǎn)戰(zhàn)FinFET市場(chǎng)。
FinFET的人力開發(fā)與時(shí)間成本更是高昂,50人工程師團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一組14納米中階SoC,得耗時(shí)4年方能完成,還要再耗費(fèi)9~12個(gè)月進(jìn)行原型(prototype)產(chǎn)制、測(cè)試與認(rèn)證后才能量產(chǎn),而這都是未失敗的前提下。
盡管英特爾在FinFET市場(chǎng)領(lǐng)先2~3年起步,但其14納米芯片制程延后,也給了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手急起直追的機(jī)會(huì)。臺(tái)積電于2014年對(duì)外揭露, 2015年度將暫以20納米制程為主,2016年再聚焦FinFET。
三星則直接放棄20納米制程,決定于2015年全心迎戰(zhàn)FinFET市場(chǎng),于2015年2月推出搭載8核心、64位元ARM處理器的Exynos 7420,也宣布14納米制程進(jìn)入量產(chǎn)。據(jù)投資機(jī)構(gòu)Pacific Crest Securities消息,下一代iPhone的處理器訂單也將交由三星生產(chǎn)。
Pacific Crest Securities表示,目前三星14納米制程每月晶圓投片量(wafer starts per month;WSPM)約1.1萬(wàn),占其12吋(300mm)晶圓廠產(chǎn)能10%,而三星也將移轉(zhuǎn)部分28納米制程產(chǎn)能至14納米制程,將14納米制程WSPM提升至4.6萬(wàn)。
GlobalFoundries也技轉(zhuǎn)自三星14納米制程技術(shù),其位于紐約的晶圓廠具3萬(wàn)WSPM產(chǎn)能,將于2015年稍晚進(jìn)入FinFET生產(chǎn)流程。
臺(tái)積電則預(yù)計(jì)2015年中開始量產(chǎn)16納米FinFETFET,且計(jì)劃于2016年底達(dá)到10萬(wàn)WSPM產(chǎn)能。FinFET技術(shù)導(dǎo)入計(jì)劃一延再延,終于在2015年逐漸上軌,全球半導(dǎo)體大廠正摩拳擦掌,準(zhǔn)備搶食這塊晶圓大餅。



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