各大晶圓廠積極尋求差異化,，BulkCMOS,、FD－SOI和FinFET隨時(shí)待命，不過(guò)問(wèn)題在于,，在28nm之后,，芯片制造商將走向何方,？

一兩年前,，各大晶圓廠推出了新的22nm工藝,，現(xiàn)在他們正在加緊準(zhǔn)備量產(chǎn)并打算較量一番。

格羅方德,、英特爾,、臺(tái)積電和聯(lián)華電子正在開發(fā)22nm工藝或擴(kuò)大他們?cè)?2nm上的戰(zhàn)果，一系列跡象表明,，該節(jié)點(diǎn)可以在汽車,、物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線通信等應(yīng)用上攬下大量業(yè)務(wù)，產(chǎn)生大量營(yíng)收,。不過(guò),，因?yàn)楦鞔蟠S提供的22nm工藝有諸多差別，代工廠的客戶們需要面臨一些艱難選擇,，而且，有的工藝并沒有完整的EDA工具或IP的支持,。

盡管如此,，出于多種原因，代工廠們并沒有放緩?fù)苿?dòng)22nm工藝的步伐,。首先,，歷經(jīng)多年增長(zhǎng)之后，28nm工藝首度面臨增長(zhǎng)放緩和產(chǎn)能過(guò)剩的困擾，在這種背景之下,，制造商們將目光投向22nm,，寄望它可以接力28nm，產(chǎn)生大量新營(yíng)收,。

圖1FinFET與Planar

此外,，22nm給代工客戶提供了新的選擇。目前,，許多使用28nm及更高工藝尺寸的客戶正在考慮轉(zhuǎn)向16nm／14nm和更低尺寸的工藝,，但是由于這些先進(jìn)工藝僅限于FinFET晶體管，其成本比傳統(tǒng)的平面晶體管更高昂,。

所以,，對(duì)于現(xiàn)在使用28nm及更高工藝尺寸的代工客戶而言，22nm是一個(gè)很有吸引力的選項(xiàng),。它不僅可以提供比28nm更優(yōu)異的性能,，還比16nm／14nm和更低工藝尺寸的FinFET便宜。

但是,，各個(gè)代工廠提供的22nm工藝可能大不相同?，F(xiàn)在的22nm技術(shù)主要有三種版本：

臺(tái)積電和聯(lián)華電子正在開發(fā)22nm平面體CMOS工藝。

格羅方德正準(zhǔn)備量產(chǎn)22nm平面FD－SOI技術(shù),。

英特爾推出的是低功耗22nmFinFET技術(shù),。

除此之外，還有三星正在開發(fā)的一種18nm平面FD－SOI技術(shù),，不管是22nm還是18nm,，他們面向的都是同樣的客戶群體，這意味著代工廠在22nm上的大戰(zhàn)一觸即發(fā),。

“22nm會(huì)成為下一個(gè)廣受歡迎的成熟節(jié)點(diǎn)嗎,？我認(rèn)為是的，”Arm物理設(shè)計(jì)事業(yè)部營(yíng)銷副總裁KelvinLow表示,，他也是代工行業(yè)的資深專家,，“我并不認(rèn)為市場(chǎng)上最終只有一個(gè)贏家，因?yàn)榭蛻魝兊脑O(shè)計(jì)考慮各不相同,，這些22nm技術(shù)都能找到自己的用武之地,。”

當(dāng)然,，22nm和18nm并不適用于所有應(yīng)用,。就像之前那樣，客戶可以選擇停留在28nm或更老的工藝上,，也可以跳過(guò)22nm和18nm,，直接采用16／14nm和更先進(jìn)的工藝,。工藝選擇取決于應(yīng)用類型，還要考慮功耗,、性能,、面積、交付時(shí)間,、成本等傳統(tǒng)指標(biāo),。

為了幫助半導(dǎo)體行業(yè)客戶加深了解，本文介紹一下各項(xiàng)22nm工藝及其供應(yīng)商的發(fā)展動(dòng)態(tài),。

BulkCMOS

現(xiàn)在,，有的人把22nm視為一個(gè)獨(dú)立市場(chǎng)區(qū)段，但是有的人則認(rèn)為22nm可以被歸到28nm這個(gè)大類里面,。

國(guó)際商業(yè)戰(zhàn)略（IBS）是一家研究公司,，它把28nm、22nm,、20nm和18nm這四個(gè)節(jié)點(diǎn)歸為同一類,。根據(jù)IBS的預(yù)測(cè)，2018年這類工藝的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到115億美元,，同比2017年下降2．8％,，22nm市場(chǎng)2019年預(yù)計(jì)僅增長(zhǎng)0．6％，但隨后將開始自己波瀾壯闊的增長(zhǎng)步伐,。

在這個(gè)大類中,，28nm體量最大，根據(jù)IBS的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),，2017年28nm晶圓代工市場(chǎng)規(guī)模達(dá)100億美元,，2018年持平，并受到了產(chǎn)能過(guò)剩的困擾,。一方面,，有一部分28nm客戶正在向更高級(jí)的工藝節(jié)點(diǎn)遷移，帶走了一部分業(yè)務(wù),，另一方面,，中國(guó)正在大張旗鼓地建設(shè)更多28nm晶圓產(chǎn)能，更加加劇了這個(gè)市場(chǎng)的困境,。

對(duì)28nm而言更加雪上加霜的是,，22nm將開始蠶食28nm工藝的市場(chǎng)?！?018年,，22nm的晶圓代工體量?jī)H為28nm的十分之一，”IBS首席執(zhí)行官HandelJones說(shuō),?！案鶕?jù)我們的推斷，隨著時(shí)間的推移,，22nm將成為下一個(gè)大塊頭節(jié)點(diǎn),。”

在22nm上,，平面型BulkCMOS,、FD－SOI和finFET是眾所周知的三種主要技術(shù)選項(xiàng)，其中,，BulkCMOS多年來(lái)一直都是芯片產(chǎn)業(yè)的中流砥柱,，因此也更廣為人熟知。CMOS可以被用在平面型和finFET晶體管上,，而FD－SOI使用專用的絕緣體上硅晶片,，其在襯底中包含薄絕緣層。

這三種技術(shù)各有優(yōu)劣,。其中,，BulkCMOS成本最低，但是2DCMOS晶體管最容易漏電,，這也是finFET橫空出世的主要原因之一,。芯片制造商可以通過(guò)控制漏電提高時(shí)鐘頻率，但是速度和動(dòng)態(tài)功率密度必須相平衡,。FD－SOI使用平面型工藝,，增加了體偏置來(lái)控制漏電和功耗，并取得了和時(shí)鐘頻率的平衡,。但是,，他們的缺點(diǎn)是都比BulkCMOS更昂貴。

所有這些22nm工藝都旨在贏得無(wú)需多重圖案化工藝步驟的新業(yè)務(wù),，多重圖案化不僅耗時(shí),，而且會(huì)增加成本，28nm有效地平衡了應(yīng)用的性能和成本,，因此,，自2011年推出以來(lái)迅速成為許多先進(jìn)IC設(shè)計(jì)的最佳選擇。

根據(jù)IBS的數(shù)據(jù),，28nm平面型器件的平均設(shè)計(jì)成本為5130萬(wàn)美元,，而16／14nm芯片的平均設(shè)計(jì)成本則為1．063億美元。因此,，盡管格羅方德,、臺(tái)積電、UMC和其它公司提供了更先進(jìn)的16／14nmfinFET,，大多數(shù)設(shè)計(jì)仍然堅(jiān)持使用更老舊的節(jié)點(diǎn),。

圖2IC設(shè)計(jì)成本增加

“當(dāng)你使用finFET時(shí),，掩膜和設(shè)計(jì)成本都會(huì)大幅增加，”IBS的Jones說(shuō),?！癋inFET對(duì)數(shù)字電路很友好，但是很難用它做射頻,，混合信號(hào)也是一個(gè)挑戰(zhàn),。”

FinFET是高性能應(yīng)用的理想選擇,，但這種工藝在其他方面受到一些限制,，比如它很難集成RF和模擬電路。所以,，為了填補(bǔ)這種市場(chǎng)空白,，各大代工廠開始開發(fā)22nm。對(duì)于那些需要比28nm性能更高,，但是不需要或者不能承受16／14nm或更先進(jìn)工藝的高成本的客戶而言,，22nm提供了一個(gè)很好的中間選擇。

22nm是物聯(lián)網(wǎng),、混合信號(hào)和射頻器件的理想選擇,。IBS聲稱，22nm比16nm／14nm更便宜,，22nm器件的平均IC設(shè)計(jì)成本為7030萬(wàn)美元,，介于28nm和16／14nm之間。

聯(lián)華電子營(yíng)銷總監(jiān)JohnChen表示,，“我們預(yù)計(jì)22nm的生命周期將會(huì)很長(zhǎng),，而且產(chǎn)量客觀?？蛻舨恍枰苯訌?8nm遷移到14nmfinFET,，22nm提供了一個(gè)極具吸引力的超低漏電工藝選項(xiàng)，以供客戶從現(xiàn)有的28nm設(shè)計(jì)中遷移過(guò)來(lái),。在掩模和設(shè)計(jì)成本上,，22nm也優(yōu)于14nm?！?/p>

對(duì)于那些采用65nm,、55nm和40nm設(shè)計(jì)的芯片制造商而言，22nm提供了相對(duì)輕松的升級(jí)途徑,，這些設(shè)計(jì)對(duì)成本敏感,。“當(dāng)這波老工藝的產(chǎn)品遷移到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),，將會(huì)對(duì)22nm產(chǎn)生很大的推動(dòng)作用,，”Arm的Low說(shuō),。“當(dāng)成本合適,、IP可用時(shí),，22nm市場(chǎng)將會(huì)真正爆發(fā),?！?/p>

在這些22nm技術(shù)中，臺(tái)積電和聯(lián)華電子開發(fā)的平面型BulkCMOS基本上是28nm平面型BulkCMOS技術(shù)的縮小版,。與28nm一樣,，它采用高k／金屬柵極、銅互連和低k電介質(zhì),。

這種縮放方案有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn),。好的方面是，它是從28nm直接縮放而來(lái),，芯片制造商可以繼承使用相同的設(shè)備和工藝流程,。壞的方面則是，當(dāng)工藝尺寸接近20nm時(shí),，Bulk技術(shù)會(huì)受到短溝道效應(yīng)的影響,，它會(huì)降低器件中的亞閾值斜率或關(guān)斷特性。

在傳統(tǒng)晶體管中,，柵極下方的溝道區(qū)域耗盡了移動(dòng)電荷,，使摻雜劑原子離子化?！伴撝惦妷菏怯蛇@些原子里的電荷和柵極功函數(shù)決定的,。耗盡區(qū)的深度控制靜電泄露特性。耗盡區(qū)域下方是帶有大量移動(dòng)載體的中性硅,?！盜BM的半導(dǎo)體專家TerryHook解釋道。

但隨著工藝尺寸的降低,，BulkCMOS晶體管容易出現(xiàn)被稱為隨機(jī)摻雜劑波動(dòng)的現(xiàn)象,。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這會(huì)引起通道中摻雜劑原子的變化,。結(jié)果,，BulkCMOS晶體管的執(zhí)行可以偏離其標(biāo)稱行為，并且還可以在閾值電壓方面產(chǎn)生隨機(jī)差異,。

“Bulk平面晶體管技術(shù)受到大量隨機(jī)摻雜劑波動(dòng)的限制,，摻雜劑波動(dòng)的波動(dòng)是先進(jìn)節(jié)點(diǎn)晶體管不匹配和變化的主要原因?！备窳_方德產(chǎn)品線管理高級(jí)主管JamieSchaeffer在最近的一段視頻中說(shuō),。

解決摻雜劑波動(dòng)問(wèn)題的一種方法是轉(zhuǎn)向完全耗盡型晶體管類型,，如FD－SOI和finFET?！霸趂inFET和FD－SOI中,，溝道摻雜劑的波動(dòng)問(wèn)題基本不存在，晶體管可以一次性進(jìn)行匹配,?！毙酒瑢＜襀ook說(shuō)。

不過(guò),，臺(tái)積電和聯(lián)華電子這兩家代工廠商決定將BulkCMOS的極限推進(jìn)到22nm,。盡管存在一些挑戰(zhàn)，22nmBulkCMOS也有很大優(yōu)勢(shì),。

“一些客戶正在從28nm遷移到22nm上,，以獲得密度／速度／功耗上的提升。臺(tái)積電預(yù)計(jì)將會(huì)有20％左右的28nm客戶選擇22nm,?！盙artner分析師SamuelWang表示?！癋D－SOI適用于低功耗的利基型應(yīng)用,。22nmbulk是廣受歡迎的28nm的縮小版本，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)習(xí)慣了28nm的設(shè)計(jì)方法,，而且擁有更廣泛的物理IP,。”

與此同時(shí),，臺(tái)積電最近公布了其先前宣布的22nm技術(shù)的更多細(xì)節(jié),，該技術(shù)涉及兩個(gè)工藝平臺(tái)。第一種工藝是22nm超低功耗（ULP）,，適用于需要更高性能的低功耗應(yīng)用,，第二種工藝是22nm超低泄漏（ULL），適用于超低功耗器件,。

“物聯(lián)網(wǎng)和射頻／模擬器件的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,，”臺(tái)積電研發(fā)副總裁CliffHou表示?！耙豁?xiàng)技術(shù)很難覆蓋這兩種應(yīng)用,，這也是為什么我們單獨(dú)優(yōu)化出兩個(gè)工藝平臺(tái)的原因?！?/p>

22nmULP的工作電壓為0．8至0．9伏,，臺(tái)積電透露了22nmULL的新規(guī)格，其工作電壓為0．6伏，該版本將于2019年4月上市,。

除技術(shù)規(guī)格外,，代工廠的客戶們還必須檢查對(duì)一項(xiàng)工藝是否存在EDA工具和IP支持。由于有些代工廠在22nm上會(huì)提供比其它代工廠更多的EDA／IP支持,，這讓客戶們的選擇更加棘手了,。

代工廠依賴第三方EDA工具。對(duì)于一項(xiàng)給定的工藝,，代工廠開發(fā)了一些自己的IP,，但它們也依賴于第三方IP。EDA供應(yīng)商和IP技術(shù)的可選擇范圍很廣,。不過(guò),，臺(tái)積電在22nm上開發(fā)的一個(gè)主要IP標(biāo)志著它的22nm工藝可以用在嵌入式MRAM和電阻RAM器件上。

嵌入式存儲(chǔ)器集成在微控制器（MCU）中,。MCU使用NorFlash閃存用于嵌入式存儲(chǔ)器應(yīng)用，例如代碼存儲(chǔ),。

然而,，NorFlash很難擴(kuò)展到28nm以下，這就催生了MRAM和RRAM這樣的下一代存儲(chǔ)器技術(shù),。這些新的存儲(chǔ)器類型既能達(dá)到SRAM的速度,，又實(shí)現(xiàn)了閃存的非易失性以及無(wú)限的耐用性。

盡管如此,，Microchip仍然計(jì)劃將其名為SuperFlash的嵌入式閃存技術(shù)擴(kuò)展至22nm,。“當(dāng)我們?cè)?8nm工藝上驗(yàn)證了SuperFlash技術(shù),，我們就將它遷移到FD－SOI和／或22nm技術(shù)上,，”Microchip的子公司SiliconStorageTechnology（SST）營(yíng)銷總監(jiān)VipinTiwari表示?！坝捎?2nm是28nm的縮小節(jié)點(diǎn),，因此，只要SuperFlash在28nm上得到成功應(yīng)用,，它就很可能在22nm節(jié)點(diǎn)上找到用武之地,。eMRAM和SuperFlash技術(shù)可以共存，具體取決于最終應(yīng)用,?！?/p>

另外，在第三方IP方面,，Arm已經(jīng)為臺(tái)積電的22nm工藝開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù),、通用IO和存儲(chǔ)器編譯器等物理IP。

在EDA方面，大型EDA供應(yīng)商也支持臺(tái)積電的22nm技術(shù),。西門子子公司Mentor公司產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)MichaelWhite說(shuō)：“因?yàn)楦鱾€(gè)代工廠的22nm工藝在光刻的實(shí)現(xiàn)方式和能提供多少DFM支持上存

在細(xì)微差別,，我們對(duì)它們的支持工具也有所不同。需要重點(diǎn)注意的是,，由于22nm是一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)變體,，golden簽核和后續(xù)工具可能始終存在滯后風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量差異。無(wú)晶圓廠客戶希望使用行業(yè)golden簽核工具,，要么就要在流片時(shí)承擔(dān)更高的風(fēng)險(xiǎn),。”

聯(lián)電也在開發(fā)22nmbulkCMOS工藝,?！奥?lián)電現(xiàn)在正在為自家的22nm工藝確定最終版本的客戶規(guī)格，我們預(yù)計(jì)將在2020年將22nm投產(chǎn),，”聯(lián)華電子的Chen說(shuō),。“和28nm工藝相比,，22nm這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)對(duì)性能和功耗進(jìn)行了優(yōu)化,，面積節(jié)約了10％左右，超低功耗,，支持RF和毫米波,。聯(lián)華電子的22nm平臺(tái)將成為一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，拓展了平面型高k／金屬柵極技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,，可用在移動(dòng)（5G和其它無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)）,、物聯(lián)網(wǎng)和汽車等行業(yè)?！?/p>

格羅方德是最早發(fā)力22nm工藝的晶圓廠,。三年前，格羅方德推出了22nmFD－SOI技術(shù),，后來(lái),，三星也開始提供28nmFD－SOI，并正在研究18nm版本的FD－SOI工藝,。

此外,，格羅方德正在開發(fā)一種平面類型的12nmFD－SOI，預(yù)計(jì)將在2022年上市,。通常來(lái)講,，22nm或18nmFD－SOI不會(huì)直接與16nm／14nm展開競(jìng)爭(zhēng)，它們服務(wù)于不同的目標(biāo)市場(chǎng),，基本上不會(huì)有所重疊,。

FD－SOI使用一種專用的SOI晶圓,，它在襯底中集成了一層薄薄的絕緣層（厚度在20nm到25nm之間），該絕緣層將晶體管和襯底相隔離,，從而防止了器件中的漏電,。

FD－SOI也是一種平面完全耗盡型架構(gòu)?！斑@就在基本上消除了摻雜劑的隨機(jī)波動(dòng),，從而改善了匹配、漏電以及相應(yīng)的亞閾值斜率,?！备窳_方德的Schaeffer說(shuō)。

圖3Bulk與FD－SOI

格羅方德的22nmFD－SOI技術(shù)被稱為22FDX,，它在通道中集成了高k／金屬柵極和硅鍺,。與28nm相比，它的性能提高了30％,，功耗降低了45％,。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)于2017年初通過(guò)了生產(chǎn)資格驗(yàn)證。

最近,，格羅方德為其22FDX工藝增加了更多功能,。“這項(xiàng)工藝在sub－6GHzRF,、毫米波、超低漏電,、超低功耗方面都通過(guò)了驗(yàn)證,。”Schaeffer說(shuō),。

FD－SOI有兩項(xiàng)特征很有吸引力－低功耗和體偏置,。它可以在0．8v工作電壓下實(shí)現(xiàn)910μA／μm（856μA／μm）的低功耗，工作電壓可以降到0．4v,。

“體偏置技術(shù)通過(guò)極化晶體管的背部柵極完全地動(dòng)態(tài)控制晶體管的閾值電壓（Vth）,，Vth是一個(gè)只能通過(guò)復(fù)雜的催化劑技術(shù)確定的參數(shù)，現(xiàn)在可以通過(guò)軟件動(dòng)態(tài)編程,?！盨oitec產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理ManuelSellier說(shuō)?！霸O(shè)計(jì)人員可以利用這個(gè)能力動(dòng)態(tài)管理電路中的漏電,，并有效補(bǔ)償靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變化（溫度、電壓和老化）,，它可以實(shí)現(xiàn)4－7倍的能效提升,。”

FD－SOI還支持前向體偏置。根據(jù)意法半導(dǎo)體的說(shuō)法,，當(dāng)襯底進(jìn)行正向極化時(shí),，晶體管的開關(guān)速度可以更快。

但是,，F(xiàn)D－SOI也有三個(gè)明顯的缺陷－成本,、生態(tài)系統(tǒng)和采用率。多年來(lái),，F(xiàn)D－SOI一直沒有得到大規(guī)模應(yīng)用,，英特爾、臺(tái)積電,、聯(lián)華電子等巨頭從未使用過(guò)FD－SOI技術(shù),，它們聲稱bulkCMOS可以在更低的成本上制造高性能器件。比如,，SOI晶圓的售價(jià)為每片370－400美元,，而bulkCMOS晶圓的售價(jià)僅為每片100－120美元。

不過(guò),，F(xiàn)D－SOI可以降低掩膜數(shù)量,，這可以在一定程度上補(bǔ)償晶圓成本。根據(jù)IBS的數(shù)據(jù),，F(xiàn)D－SOI的掩膜數(shù)量為22－24個(gè),，而具有可比性的bulkCMOS工藝的掩膜步驟達(dá)27－29個(gè)。

FD－SOI也在縮小和bulkCMOS的綜合差距,?！拔覀儸F(xiàn)在正在考察bulkCMOS的限制，”IBS的Jones說(shuō),?！?2nmFD－SOI的晶體管成本比22nmHKMG（高k／金屬柵極）高出不到5％，但是其功耗降低了30％－50％,，這種功耗優(yōu)勢(shì)對(duì)可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備非常重要,。”

盡管如此,，F(xiàn)D－SOI社區(qū)在EDA／IP生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)方面也落后于bulkCMOS,。“22nmFD－SOI的IP生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)然也在加強(qiáng),，但22nmHKMGbulkCMOS的IP生態(tài)系統(tǒng)更加廣泛,。”Jones說(shuō),。

局面也許正在轉(zhuǎn)變,，Cadence,、Mentor和Synopsys已針對(duì)格羅方德的FD－SOI技術(shù)認(rèn)證了各種EDA工具。

“FD－SOI有一些其它工藝很難集成的獨(dú)特RF功能,?！盡entor總裁兼首席執(zhí)行官WallyRhines表示。

FD－SOI也有一些其它的優(yōu)勢(shì),?！氨M管FinFET幾乎沒有靜態(tài)泄露，但是還有動(dòng)態(tài)功率指標(biāo),，F(xiàn)D－SOI工藝的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)功率上,。如果你可以將電壓從1v降低到0．6v，功耗就會(huì)降低65％,。FD－SOI在動(dòng)態(tài)改變功率和性能平衡上具有一定優(yōu)勢(shì),。”Rhines說(shuō),。

其它工藝選擇

去年,，英特爾推出了22nmFinFET技術(shù)的低功耗版本，但是英特爾自此就沒了動(dòng)靜,。不過(guò),，英特爾計(jì)劃在即將舉行的IEDM活動(dòng)上，發(fā)表一篇關(guān)于22nm嵌入式MRAM技術(shù)的論文,。

22nm工藝動(dòng)靜不斷,，但目前尚不清楚它的市場(chǎng)到底有多大，也很難預(yù)測(cè)哪種技術(shù)會(huì)占上風(fēng),。判斷22nm市場(chǎng)會(huì)否成長(zhǎng)為28nm那樣的體量,，還是只是一個(gè)利基市場(chǎng)仍然為時(shí)過(guò)早。顯然,，每種技術(shù)都會(huì)找到自己的市場(chǎng)位置，但是肯定有些技術(shù)會(huì)脫穎而出,，贏得更大的市場(chǎng),。