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7nm之后 半导体行业的荣光将由谁守护?

导读: 越来越多的设计和制造难题带来了越来越多的问题:10/7nm 之后还将怎样延展?有多少公司将参与进来?它们将要应对哪些市场?

越来越多的设计和制造难题带来了越来越多的问题:10/7nm 之后还将怎样延展?有多少公司将参与进来?它们将要应对哪些市场?

至少,节点迁移将在数值继续下降之前往水平方向扩展。在 7nm 节点,预计将会出现比之前任何节点都更重要更显著的改进,所以 10/7nm 不会只有一个版本,而很可能在前进到 7/5nm 之前至少会有两三次(或更多)迭代。

在这种减速背后,前端设计和后端制造的隔离也越来越大,造成这种情况的关键原因有几个。首先,节点尺寸缩小的成本已经变得非常高昂,已经不再是一个自然而然的决策了,即使对于最大的公司来说也是这样。尤其是无晶圆厂芯片制造商也正小心谨慎地采用昂贵的新工具和新方法,因为在领先节点上的高容量市场机会更少了。苹果和三星等系统供应商已经开始为移动手机开发自己的芯片,而谷歌、Facebook、亚马逊和微软也已经开始为云设计自己的芯片了。这种情况所带来的净影响是高容量市场变少了,使得其它企业难以收回投资成本。

“对于一些应用而言,尤其是移动和云基础设施,它们必须驱动性能增长。”Cadence 总裁兼 CEO 陈立武说,“它们正在下降到 10nm,而且它们还将继续下降到 7nm 甚至 5nm。但性能和价格延展的速度已经放缓,而成本正在上扬。现在已经没有非常大的性能差异了。所以对于一些公司来说,已经没有什么让人信服的理由去下降到 7nm 了。这取决于产品、开发周期和差异化三角(delta of differentiation)。”

7nm之后 半导体行业的荣光将由谁守护?

图 1:低于 30nm fin pitch 封装的 7nm 晶体管,来自 IBM

幸运的是,过去 18 个月出现了一些新市场。尽管这些市场没有任何一个有希望带来十亿以上单位的需求(而在移动手机市场这是有可能的),但它们合在一起形成了一个更大的市场机会,其中包括汽车和医疗电子,用于机器学习、人工智能、增强现实/虚拟现实、IoT/IIoT 的芯片,以及可以按需优化的更灵活的服务器架构。

作为参考,SEMI 曾表示汽车电子市场预计将在 2020 年达到 2800 亿美元,而据 SEMI 的 CEO Ajit Manocha 表示,医疗电子市场则将在 2024 年达到 2190 亿美元。甚至还有更亮眼的数据,预计 2 万亿美元的电子产品供应链将在未来五年内翻番,达到 4 万亿美元。与此同时,相比于过去十年里个位数的低增长,半导体行业正表现出健康的 12% 的增长。

Manocha 说:“这是个新情况。晶圆厂设备增长高达 23%。”

并不是所有这些新兴市场都需要用最新工艺节点生产的芯片。即使是在汽车领域,虽然目前有正在 7nm 节点开发的复杂 ADAS 逻辑,但同一款汽车的其它芯片则是在更老的节点上开发设计。而对于 IoT/IIoT,许多芯片都是用 200mm 晶圆工艺制造的,这使得它们的设计和制造要便宜得多。

这个情况的短期缺点是会造成巨大的产能短缺。为了缓解这一产能危机,据 SEMI报道,中国已有 6 家新的 200mm 晶圆厂正在建造中,其它地方还有另外 2 家。这其中至少有一部分原因是源于对已有工艺节点的发展机遇的关注。根据这些其它市场的进展情况以及它们迁移到更新工艺的方式的不同,一些目前仍在研发之中的技术推广到整个市场的速度也会受到影响。

造成减速的第二个原因是在先进节点上,设计、检查和测试芯片的难度更大了。热、静电放电和电磁干扰等物理效应在 7nm 节点比在 28nm 节点更加显著。另外要让信号穿过更细的线也需要更多电力,电路对测试和检查以及芯片上的热迁移也更加敏感。所有这些需求都要被考虑进来,并且使用多种物理模拟、仿真和原型设计方法进行模拟。

这在智能手机领域已经非常糟糕了,而智能手机芯片可以在数亿乃至数十亿的设备中销售而得到补偿。但随着先进节点芯片进入汽车和医疗应用中,它们还将在安全性方面受到更大的制约。在汽车中,芯片需要在恶劣的环境条件中以严格的运行参数工作十年以上。

“理想情况下,你需要检查所有东西,但这需要时间和金钱以及对计量技术的大量投资。”ASML 应用产品管理总监 Henk Niesing 说,“对于随机缺陷,你仍然在这一领域。但这样的话,你就不需要增加更多计量。你可以在计算方面做到更多。”

迁移变慢的第三个原因是尽管人们对光刻问题(多重图案、掩模对准、更好的抗蚀剂和 EUV)有很大的关注,但这只是冰山一角。高数值孔径 EUV 将很有可能将光刻推进至至少 2nm,甚至可能达到 1nm。但从 10/7nm 开始,边缘放置误差等问题的影响就变得越来越大了。接触也将需要新的材料。还有一直以来都是一个可控问题的线边缘粗糙度( line-edge roughness)也正变得越来越棘手。

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