投稿|22nm制程风波再起

2022-08-08

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图片来源@视觉中国

文｜半导体产业纵横

7月25日，联发科发布重磅消息，这家长年在台积电投片，并已成为后者第三大客户的头部IC设计厂商，宣布未来将在英特尔投片。
根据双方协议，联发科会在“Intel 16”制程工艺、约等同于台积电22nm制程的产线投片，该公司财务长顾大为指出，未来可能会下单英特尔的产品，包括智能电视、Wi-Fi芯片，都是以成熟制程为主。对此，一名半导体产业分析师指出，虽然目前全球的22nm制程产能相对不缺货，但从中期来看，可能因为部分新增产能未能如期量产，而出现缺货状况。
此次，除了联发科采用英特尔晶圆代工服务吸睛之外，22nm制程工艺再一次登上了行业新闻头条。
22nm是继28nm半节点之后的全节点制程工艺。谈到22nm制程，要追溯到2008年，当时，业界首次出现了采用该制程工艺的RAM存储器，但彼时还未实现量产。到了2012 年，英特尔公司推出了第一款采用22nm制程工艺的消费级CPU——Ivy Bridge 。
22nm制程的出现和普及，满足了市场上相当多IC设计厂商的实际需求。28nm之后，许多厂商希望转移到更高级节点，但过高的成本和风险，使得很多IC设计厂商对16nm/14nm望而却步。Gartner的数据显示，28nm制程芯片的平均设计成本为3000万美元，16nm/14nm约为8000万美元，而设计一个7nm芯片要花费2.71亿美元。这样，许多厂商停留在了28nm及以上的成熟制程，资金更充足的可能会转移到16nm/14nm及更先进制程节点。
还有一些厂商想要获得性能提升，但无法承受16nm/14nm的价格，此时，22nm脱颖而出。不过，相对而言，与28nm、16nm/14nm相比，22nm制程的市场规模还是小的。
群雄逐鹿22nm由于22nm制程非常适用于汽车、物联网和无线通信等应用，近些年，英特尔、GlobalFoundries、台积电等厂商都在开发22nm制程工艺。不过，不同厂商研发的22nm工艺各不相同，大致可分为三种版本：以台积电为代表的平面型（planar，相对于3D的FinFET而言）CMOS工艺；GlobalFoundries 的平面FD-SOI工艺；以英特尔为代表的低功耗22nm FinFET工艺。
英特尔开拓22nm FinFET
虽说22nm比32nm的集成度提高了，但工艺成本也明显增加了。英特尔的策略与众多厂商明显不同，该公司进行了变革，不走传统的平面型工艺路线，而是采用3D架构，也就是tri-gate路线。不同于台积电和三星，英特尔在22nm节点就采用了FinFET工艺了，而前两者是在16nm/14nm节点才采用FinFET架构的。
此次，联发科选择与英特尔的代工业务合作，并且采用其“Intel 16”制程工艺，也是一种尝试，，即采用该公司的FinFET工艺生产电视SoC和Wi-Fi芯片，会有与台积电平面型22nm工艺不同的性能表现，很可能会优于后者，且英特尔的代工业务处于发展期，价格会比较实惠，这对于联发科而言是个不错的选择。不过，实际情况如何，还要等到量产后才能见分晓。
平面型22nm制程有望迎来新机遇
平面型22nm制程的代表企业是台积电。相比于FinFET工艺版本的22nm 制程，平面型的难度较低，研发成本和时间也会少很多。
台积电的22nm超低功耗（22ULP）技术基于该公司28nm技术开发，并于2018年第四季度完成了所有工艺认证。与28nm高性能（28HPC）工艺相比，22ULP可使芯片面积减少10%，可使芯片性能提升30%，或功耗降低30% 。此外，台积电还于2018年第四季度完成了22nm超低泄漏（22ULL??）技术的开发，该工艺可以实现更低的功耗，主要用于物联网和可穿戴设备芯片制造。
然而，在台积电的各种制程工艺中，22nm的占比不大，这在该公司2020和2021年的财报中有体现，台积电22nm（图中为20nm，是基于22nm的升级版本）制程的营收占比几乎可以忽略不计了。
不过，最近两年的市场行情，对于22nm制程比较友好，未来产能需求增加预期正在提升，例如，翱捷科技表示，该公司的主要晶圆代工伙伴是台积电，2022上半年，台积电22nm制程产能仍然呈现紧张状态，翱捷科技一直在积极与台积电进行沟通，希望能获得与市场需求相匹配的产能支持。在这样的背景下，台积电也在扩充相应产能，该公司正在日本新建的、计划于2024年投入运营的晶圆厂，就是提供22nm/28nm制程产能的。
除了台积电，中国台湾另一家晶圆代工大厂也基于其28nm开发出了22nm工艺，与28nm HKMG工艺相比，该厂商22nm增益达10%，功率/性能比更好，射频性能增强。另外，该厂商开发出了22nm超集结技术，在同一平台上有ULP和ULL选项，该技术可支持1.0V~0.6V电压，客户可以在一个SoC设计平台上享受这两种技术的优势。另外，该厂商还开发了22nm制程的ReRAM技术平台和22nm嵌入式磁阻随机存取内存（eMRAM）制程平台，可应用于人工智能物联网（AIoT）相关产品。
与台积电的策略类似，这家厂商也开始在中国台湾以外地区扩充较为成熟制程的产能，它选择的地点是新加坡。今年2月，该厂商董事会通过了在新加坡Fab12i厂区扩建一座全新晶圆厂计划，新厂第一期的月产能规划为3万片晶圆（12英寸），制程主要为22nm/28nm，预计2024年底开始量产。
该厂商表示，受5G、物联网和车用电子大趋势带动，它对22nm/28nm制程需求的前景持乐观态度，因此，新加坡新厂所扩增的产能也签订了长期的供货合约，以确保2024年后对客户产能的供应。该厂商期望这座新厂能在满足这些市场强劲需求上扮演重要角色，特别是协助缓解22nm/28nm晶圆产能结构性短缺状况。
在生态系统方面，特别是EDA和IP的支持必不可少。Arm为台积电等厂商的22nm 工艺开发了物理 IP，包括标准单元库、通用I/O和内存编译器。EDA方面，三大EDA厂商都支持22nm工艺技术。
FD-SOI另辟蹊径随着制程节点的微缩，传统的平面型CMOS工艺已经难以满足微缩要求，正因如此，才出现了3D结构的FinFET工艺，但漏电流是FinFET无法回避的短板，要想降低功耗，就需要有新的工艺技术，FD-SOI（Fully Depleted SOI，全耗尽SOI）应运而生。
FD-SOI晶体管，硅薄膜限定了源漏结深，同时也限定了源漏结的耗尽区，从而改善了DIBL(Drain Induced Barrier Lowering，漏致势垒降低) 等短沟道效应，改善了器件的亚阈特性，降低了电路的静态功耗。此外，FD-SOI晶体管无需沟道掺杂，可以避免 RDF(Random Dopants Fluctuation，随机掺杂涨落) 等效应，从而保持稳定的阈值电压，同时还可以避免因掺杂而引起的迁移率退化。与FinFET 相比，FD-SOI技术还有一个重要卖点，即先进的负偏压（back bias）技术。
低漏电特性使得FD-SOI非常适合需要低功耗且成本敏感的应用。
下图所示为28nm HKMG(High-K Metal Gate)与22nm FD-SOI（22FDX）两种不同工艺的功耗与频率量化对比图。橙色曲线为 28nm HKMG，中间那条曲线为 22nm FD-SOI（不做bias），最上面蓝色曲线为22nm FD-SOI（采用正向 bias）。
在同样频率下，采用22FDX（不做bias）工艺的功耗比28nm HKMG节省了近50%，而采用同样频率和工艺的22FDX，有FBB（Forward Body Biasing）的功耗比没有采用偏压技术的节省了近50%的功耗。
FD-SOI的忠实玩家非GlobalFoundries莫属了，特别是22nm FD-SOI，该公司是第一个尝鲜的，上文的22FDX也正是GlobalFoundries标志性的工艺技术。据悉，22FDX在pFET沟道中集成了high-k/metal-gate以及SiGe，以提高驱动电流。如果需要，SiGe沟道可以用硅替代以减少泄漏。与28nm相比，22FDX的性能提高了30%，功耗降低了45% 。
在22FDX的基础上，GlobalFoundries还在开发12nm的FD-SOI，原计划在2022年正式推出。
除了GlobalFoundries，意法半导体（ST）和三星也非常看好FD-SOI，三星正在开发18nm FD-SOI技术。
在市场和应用层面，22nm或18nm FD-SOI与FinFET 工艺技术，特别是16nm/14nm制程是互补的，而非竞争关系，它们服务于不同市场和应用，几乎没有重叠。
结语在英特尔重金杀入晶圆代工市场之前，在22nm这个节点，原本是波澜不惊的状态。首先，全球22nm制程的规模相对较小，而且又分为传统平面型CMOS和FD-SOI工艺，前者的代表企业是台积电，后者的代表企业是GlobalFoundries，由于GlobalFoundries和台积电的制程工艺发展战略迥异，现在这两家的竞争关系已经很弱了，而中国台湾另一家晶圆代工大厂与GlobalFoundries在22nm处的竞争也较弱，因为它们的22nm工艺路线不同，一个是传统平面型CMOS，另一个是FD-SOI 。因此，总体来看，全球22nm制程工艺原本没有出现强竞争态势。
【投稿|22nm制程风波再起】但是，随着英特尔强势杀入全球晶圆代工市场，特别是联发科宣布采用该公司22nm制程的升级版本代工其相关芯片，另外，各大晶圆代工厂不断扩充成熟制程产能，其中就包括22nm，台积电在日本，另一家在新加坡建新厂是典型代表。所有这些凑在一起，很可能会搅动原本比较平静的22nm制程芯片市场，未来发展值得关注。

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