近日,，聯(lián)發(fā)科發(fā)布重磅消息，這家長年在臺(tái)積電投片,，并已成為后者第三大客戶的頭部IC設(shè)計(jì)廠商,，宣布未來將在英特爾投片,。
根據(jù)雙方協(xié)議，聯(lián)發(fā)科會(huì)在“Intel 16”制程工藝,、約等同于臺(tái)積電22nm制程的產(chǎn)線投片,，該公司財(cái)務(wù)長顧大為指出，未來可能會(huì)下單英特爾的產(chǎn)品,，包括智能電視,、Wi－Fi芯片，都是以成熟制程為主,。對(duì)此,，一名半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分析師指出，雖然目前全球的22nm制程產(chǎn)能相對(duì)不缺貨,，但從中期來看,，可能因?yàn)椴糠中略霎a(chǎn)能未能如期量產(chǎn)，而出現(xiàn)缺貨狀況,。
此次,，除了聯(lián)發(fā)科采用英特爾晶圓代工服務(wù)吸睛之外，22nm制程工藝再一次登上了行業(yè)新聞?lì)^條,。
22nm是繼28nm半節(jié)點(diǎn)之后的全節(jié)點(diǎn)制程工藝,。談到22nm制程，要追溯到2008年,，當(dāng)時(shí),，業(yè)界首次出現(xiàn)了采用該制程工藝的RAM存儲(chǔ)器，但彼時(shí)還未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),。到了2012 年,，英特爾公司推出了第一款采用22nm制程工藝的消費(fèi)級(jí)CPU——Ivy Bridge。
22nm制程的出現(xiàn)和普及,，滿足了市場上相當(dāng)多IC設(shè)計(jì)廠商的實(shí)際需求,。28nm之后,，許多廠商希望轉(zhuǎn)移到更高級(jí)節(jié)點(diǎn)，但過高的成本和風(fēng)險(xiǎn),，使得很多IC設(shè)計(jì)廠商對(duì)16nm／14nm望而卻步,。Gartner的數(shù)據(jù)顯示，28nm制程芯片的平均設(shè)計(jì)成本為3000萬美元,，16nm／14nm約為8000萬美元,，而設(shè)計(jì)一個(gè)7nm芯片要花費(fèi)2．71億美元。這樣,，許多廠商停留在了28nm及以上的成熟制程,，資金更充足的可能會(huì)轉(zhuǎn)移到16nm／14nm及更先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)。
還有一些廠商想要獲得性能提升,，但無法承受16nm／14nm的價(jià)格,，此時(shí)，22nm脫穎而出,。不過，相對(duì)而言,，與28nm,、16nm／14nm相比，22nm制程的市場規(guī)模還是小的,。
群雄逐鹿22nm
由于22nm制程非常適用于汽車,、物聯(lián)網(wǎng)和無線通信等應(yīng)用，近些年,，英特爾,、GlobalFoundries、臺(tái)積電等廠商都在開發(fā)22nm制程工藝,。不過,，不同廠商研發(fā)的22nm工藝各不相同，大致可分為三種版本：以臺(tái)積電為代表的平面型（planar,，相對(duì)于3D的FinFET而言）CMOS工藝,；GlobalFoundries 的平面FD－SOI工藝；以英特爾為代表的低功耗22nm FinFET工藝,。
英特爾開拓22nm FinFET
雖說22nm比32nm的集成度提高了,，但工藝成本也明顯增加了。英特爾的策略與眾多廠商明顯不同,，該公司進(jìn)行了變革,，不走傳統(tǒng)的平面型工藝路線，而是采用3D架構(gòu),，也就是tri－gate路線,。不同于臺(tái)積電和三星,，英特爾在22nm節(jié)點(diǎn)就采用了FinFET工藝了，而前兩者是在16nm／14nm節(jié)點(diǎn)才采用FinFET架構(gòu)的,。
此次,，聯(lián)發(fā)科選擇與英特爾的代工業(yè)務(wù)合作，并且采用其“Intel 16”制程工藝,，也是一種嘗試,，，即采用該公司的FinFET工藝生產(chǎn)電視SoC和Wi－Fi芯片,，會(huì)有與臺(tái)積電平面型22nm工藝不同的性能表現(xiàn),，很可能會(huì)優(yōu)于后者，且英特爾的代工業(yè)務(wù)處于發(fā)展期,，價(jià)格會(huì)比較實(shí)惠,，這對(duì)于聯(lián)發(fā)科而言是個(gè)不錯(cuò)的選擇。不過,，實(shí)際情況如何,，還要等到量產(chǎn)后才能見分曉。
平面型22nm制程有望迎來新機(jī)遇
平面型22nm制程的代表企業(yè)是臺(tái)積電,。相比于FinFET工藝版本的22nm 制程,，平面型的難度較低，研發(fā)成本和時(shí)間也會(huì)少很多,。
臺(tái)積電的22nm超低功耗（22ULP）技術(shù)基于該公司28nm技術(shù)開發(fā),，并于2018年第四季度完成了所有工藝認(rèn)證。與28nm高性能（28HPC）工藝相比,，22ULP可使芯片面積減少10％,，可使芯片性能提升30％，或功耗降低30％,。此外,，臺(tái)積電還于2018年第四季度完成了22nm超低泄漏（22ULL）技術(shù)的開發(fā)，該工藝可以實(shí)現(xiàn)更低的功耗,，主要用于物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備芯片制造,。
然而，在臺(tái)積電的各種制程工藝中,，22nm的占比不大,，這在該公司2020和2021年的財(cái)報(bào)中有體現(xiàn)，如下圖所示,。
可以看出,，臺(tái)積電22nm（圖中為20nm，是基于22nm的升級(jí)版本）制程的營收占比幾乎可以忽略不計(jì)了,。
不過,，最近兩年的市場行情,，對(duì)于22nm制程比較友好，未來產(chǎn)能需求增加預(yù)期正在提升,，例如,，翱捷科技表示，該公司的主要晶圓代工伙伴是臺(tái)積電,，2022上半年,，臺(tái)積電22nm制程產(chǎn)能仍然呈現(xiàn)緊張狀態(tài)，翱捷科技一直在積極與臺(tái)積電進(jìn)行溝通,，希望能獲得與市場需求相匹配的產(chǎn)能支持,。在這樣的背景下，臺(tái)積電也在擴(kuò)充相應(yīng)產(chǎn)能,，該公司正在日本新建的,、計(jì)劃于2024年投入運(yùn)營的晶圓廠，就是提供22nm／28nm制程產(chǎn)能的,。
除了臺(tái)積電,，中國臺(tái)灣另一家晶圓代工大廠也基于其28nm開發(fā)出了22nm工藝，與28nm HKMG工藝相比,，該廠商22nm增益達(dá)10％,，功率／性能比更好，射頻性能增強(qiáng),。另外，該廠商開發(fā)出了22nm超集結(jié)技術(shù),，在同一平臺(tái)上有ULP和ULL選項(xiàng),，該技術(shù)可支持1．0V～0．6V電壓，客戶可以在一個(gè)SoC設(shè)計(jì)平臺(tái)上享受這兩種技術(shù)的優(yōu)勢,。另外,，該廠商還開發(fā)了22nm制程的ReRAM技術(shù)平臺(tái)和22nm嵌入式磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存（eMRAM）制程平臺(tái)，可應(yīng)用于人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）相關(guān)產(chǎn)品,。
與臺(tái)積電的策略類似,，這家廠商也開始在中國臺(tái)灣以外地區(qū)擴(kuò)充較為成熟制程的產(chǎn)能，它選擇的地點(diǎn)是新加坡,。今年2月,，該廠商董事會(huì)通過了在新加坡Fab12i廠區(qū)擴(kuò)建一座全新晶圓廠計(jì)劃，新廠第一期的月產(chǎn)能規(guī)劃為3萬片晶圓（12英寸）,，制程主要為22nm／28nm,，預(yù)計(jì)2024年底開始量產(chǎn),。
該廠商表示,，受5G、物聯(lián)網(wǎng)和車用電子大趨勢帶動(dòng),，它對(duì)22nm／28nm制程需求的前景持樂觀態(tài)度，因此,，新加坡新廠所擴(kuò)增的產(chǎn)能也簽訂了長期的供貨合約，以確保2024年后對(duì)客戶產(chǎn)能的供應(yīng),。該廠商期望這座新廠能在滿足這些市場強(qiáng)勁需求上扮演重要角色,，特別是協(xié)助緩解22nm／28nm晶圓產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性短缺狀況。
在生態(tài)系統(tǒng)方面,，特別是EDA和IP的支持必不可少,。Arm為臺(tái)積電等廠商的22nm 工藝開發(fā)了物理 IP，包括標(biāo)準(zhǔn)單元庫,、通用I／O和內(nèi)存編譯器,。EDA方面，三大EDA廠商都支持22nm工藝技術(shù),。
FD－SOI另辟蹊徑
隨著制程節(jié)點(diǎn)的微縮,，傳統(tǒng)的平面型CMOS工藝已經(jīng)難以滿足微縮要求，正因如此,，才出現(xiàn)了3D結(jié)構(gòu)的FinFET工藝,，但漏電流是FinFET無法回避的短板，要想降低功耗,，就需要有新的工藝技術(shù),，F(xiàn)D－SOI（Fully Depleted SOI，全耗盡SOI）應(yīng)運(yùn)而生,。
FD－SOI晶體管,，硅薄膜限定了源漏結(jié)深，同時(shí)也限定了源漏結(jié)的耗盡區(qū),，從而改善了DIBL（Drain Induced Barrier Lowering,，漏致勢壘降低） 等短溝道效應(yīng)，改善了器件的亞閾特性,，降低了電路的靜態(tài)功耗,。此外，F(xiàn)D－SOI晶體管無需溝道摻雜,，可以避免 RDF（Random Dopants Fluctuation,，隨機(jī)摻雜漲落） 等效應(yīng)，從而保持穩(wěn)定的閾值電壓,，同時(shí)還可以避免因摻雜而引起的遷移率退化,。與FinFET 相比，F(xiàn)D－SOI技術(shù)還有一個(gè)重要賣點(diǎn),，即先進(jìn)的負(fù)偏壓（back bias）技術(shù)。
低漏電特性使得FD－SOI非常適合需要低功耗且成本敏感的應(yīng)用,。
下圖所示為28nm HKMG（High－K Metal Gate）與22nm FD－SOI（22FDX）兩種不同工藝的功耗與頻率量化對(duì)比圖,。橙色曲線為 28nm HKMG,，中間那條曲線為 22nm FD－SOI（不做bias）,，最上面藍(lán)色曲線為22nm FD－SOI（采用正向 bias）。
從圖中可以看出,，在同樣頻率下,，采用22FDX（不做bias）工藝的功耗比28nm HKMG節(jié)省了近50％,，而采用同樣頻率和工藝的22FDX，有FBB（Forward Body Biasing）的功耗比沒有采用偏壓技術(shù)的節(jié)省了近50％的功耗,。
FD－SOI的忠實(shí)玩家非GlobalFoundries莫屬了，特別是22nm FD－SOI,，該公司是第一個(gè)嘗鮮的，上文的22FDX也正是GlobalFoundries標(biāo)志性的工藝技術(shù)。據(jù)悉,，22FDX在pFET溝道中集成了high－k／metal－gate以及SiGe,，以提高驅(qū)動(dòng)電流。如果需要,，SiGe溝道可以用硅替代以減少泄漏,。與28nm相比,，22FDX的性能提高了30％,，功耗降低了45％,。
在22FDX的基礎(chǔ)上,，GlobalFoundries還在開發(fā)12nm的FD－SOI,，原計(jì)劃在2022年正式推出,。
除了GlobalFoundries，意法半導(dǎo)體（ST）和三星也非?？春肍D－SOI，三星正在開發(fā)18nm FD－SOI技術(shù),。
在市場和應(yīng)用層面,，22nm或18nm FD－SOI與FinFET 工藝技術(shù)，特別是16nm／14nm制程是互補(bǔ)的,，而非競爭關(guān)系,，它們服務(wù)于不同市場和應(yīng)用，幾乎沒有重疊,。
結(jié)語
在英特爾重金殺入晶圓代工市場之前，在22nm這個(gè)節(jié)點(diǎn),，原本是波瀾不驚的狀態(tài)。首先,，全球22nm制程的規(guī)模相對(duì)較小,，而且又分為傳統(tǒng)平面型CMOS和FD－SOI工藝，前者的代表企業(yè)是臺(tái)積電,，后者的代表企業(yè)是GlobalFoundries,，由于GlobalFoundries和臺(tái)積電的制程工藝發(fā)展戰(zhàn)略迥異,，現(xiàn)在這兩家的競爭關(guān)系已經(jīng)很弱了,，而中國臺(tái)灣另一家晶圓代工大廠與GlobalFoundries在22nm處的競爭也較弱，因?yàn)樗鼈兊?2nm工藝路線不同,，一個(gè)是傳統(tǒng)平面型CMOS，另一個(gè)是FD－SOI,。因此，總體來看,，全球22nm制程工藝原本沒有出現(xiàn)強(qiáng)競爭態(tài)勢。
但是,，隨著英特爾強(qiáng)勢殺入全球晶圓代工市場,，特別是聯(lián)發(fā)科宣布采用該公司22nm制程的升級(jí)版本代工其相關(guān)芯片，另外,，各大晶圓代工廠不斷擴(kuò)充成熟制程產(chǎn)能,，其中就包括22nm，臺(tái)積電在日本,，另一家在新加坡建新廠是典型代表,。所有這些湊在一起，很可能會(huì)攪動(dòng)原本比較平靜的22nm制程芯片市場,，未來發(fā)展值得關(guān)注。
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