人工智慧(AI)、高效能運(yùn)算(HPC)、5G新空中介面(5G NR)等三大應(yīng)用下半年進(jìn)入成長爆發(fā)期，對7納米及5納米等先進(jìn)邏輯制程需求轉(zhuǎn)強(qiáng)，也讓晶圓代工市場競爭版圖丕變，轉(zhuǎn)變成臺積電及三星的雙雄爭霸局面。臺積電7納米制程與三星之間的技術(shù)差距已在1年以內(nèi)，明年5納米制程進(jìn)度看來差距將縮小，亦即兩家大廠明年的爭戰(zhàn)將更為激烈。

2017年之前晶圓代工市場中，臺積電雖穩(wěn)坐龍頭寶座，但包括格芯(GlobalFoundries)、聯(lián)電、中芯等在先進(jìn)制程競爭十分激烈，但自去年以來，格芯及聯(lián)電已淡出7納米競局，三星則迎頭趕上，所以在今年變成臺積電及三星爭奪先進(jìn)制程市場的局面。

臺積電去年下半年量產(chǎn)7納米制程，今年上半年支援極紫外光(EUV)微影技術(shù)的7+納米亦進(jìn)入量產(chǎn)。臺積電5納米已在第二季進(jìn)入試產(chǎn)，最快年內(nèi)就會有第一顆5納米芯片完成設(shè)計(jì)定案(tape-out)，預(yù)估明年下半年5納米將進(jìn)入量產(chǎn)。臺積電日前正式發(fā)表基于7/7+納米優(yōu)化的6納米制程，將在明年底前進(jìn)入量產(chǎn)，而3納米正在研發(fā)當(dāng)中，可望在2022年進(jìn)入量產(chǎn)。

三星晶圓代工(Samsung Foundry)去年下半年完成支援EUV微影技術(shù)的7納米產(chǎn)能建置，今年上半年開始替客戶投片。另外，三星宣布5納米鰭式場效電晶體(FinFET)制程已完成開發(fā)，近期開始提供客戶樣品，與7納米相較，芯片邏輯區(qū)域效率提高了25%、功耗降低20%、性能提高10%。而三星亦將7納米所有矽智財(cái)移轉(zhuǎn)至5納米制程，減少客戶轉(zhuǎn)換至5納米的成本，并可預(yù)先驗(yàn)證設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)，縮短5納米產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。

三星晶圓代工指出，目前已開始向客戶提供5納米多專案晶圓(MPW)的服務(wù)，6納米制程已成功試產(chǎn)，7納米制程即將進(jìn)入量產(chǎn)。三星已將EUV微影生產(chǎn)線建置在位于韓國華城(Hwaseong)的S3生產(chǎn)線，今年下半年將再擴(kuò)大EUV產(chǎn)能，以因應(yīng)明年強(qiáng)勁需求。

5nm工藝面臨的一些挑戰(zhàn)

圍繞5nm制造工藝節(jié)點(diǎn)的活動正在迅速發(fā)展，這讓我們對必須克服的、日益復(fù)雜的無數(shù)設(shè)計(jì)問題有了更深的認(rèn)識。

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Arm公司物理設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的研究員Jean-Luc Pelloie表示：“對于邏輯而言，5nm的挑戰(zhàn)是妥善管理標(biāo)準(zhǔn)單元和電網(wǎng)之間的相互作用，不用考慮標(biāo)準(zhǔn)單元就能建立電網(wǎng)的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。標(biāo)準(zhǔn)單元的體系結(jié)構(gòu)必須與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)相適應(yīng)。因此，電網(wǎng)的選擇必須基于邏輯體系結(jié)構(gòu)。”

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在5nm處，如果從一開始就沒有正確地考慮這種相互作用，則幾乎不可能解決IR壓降和電遷移問題。

Pelloie表示：“適當(dāng)?shù)碾娋W(wǎng)也會限制后端處理(BEOL)效應(yīng)的影響，主要原因是，當(dāng)我們繼續(xù)微縮到5nm時(shí)，通孔和金屬電阻會增加。除了考慮電網(wǎng)的邏輯架構(gòu)外，規(guī)則的、均勻分布的電網(wǎng)也有助于減小這種影響。對于使用功率門限技術(shù)(power gates)的設(shè)計(jì)，則需要更頻繁地插入這些門，以免降低性能。這會導(dǎo)致功能區(qū)塊面積的增加，并且可以減小從先前的制程節(jié)點(diǎn)微縮時(shí)的面積增益。

ANSYS公司半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部產(chǎn)品工程總監(jiān)Ankur Gupta表示：“你有了高性能的系統(tǒng)，又有了更精確的系統(tǒng)，所以你可以做更多的分析。但許多工程團(tuán)隊(duì)仍必須擺脫傳統(tǒng)的IR假設(shè)和Margin。他們?nèi)孕杌卮鹗欠衲苓m應(yīng)更多corner的問題。如果他們能夠適應(yīng)更多corner，那么他們會選哪個(gè)corner?這是行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。當(dāng)運(yùn)行EM / IR分析時(shí)，它是工程師選擇運(yùn)行的矢量的強(qiáng)大功能。如果我能制造出正確的矢量，那么我本該早就做到了，但這不可能。”

Gupta表示：“這改變了整個(gè)設(shè)計(jì)方法。能不能減小Margin?能不能設(shè)計(jì)一種可以在整個(gè)過程中收斂的流程?我是否可能使用統(tǒng)計(jì)電壓而不是平坦的保護(hù)帶寬IR壓降前置(flat guard band IR drop upfront)，然后潛在地轉(zhuǎn)向這些DVD波形——真正準(zhǔn)確的DVD波形——以及在signoff空間中獲得高精確度的路徑?我可以分析芯片、封裝和系統(tǒng)嗎?我可以進(jìn)行所有這些分析嗎，這樣我就不會浪費(fèi)來自封裝的5%的Margin?在7nm工藝中，我們討論的是接近閾值的計(jì)算，就像是NTC的某些corner，而不是整個(gè)芯片，因?yàn)槟憧梢詤⒖家苿有酒?，他們并不總是運(yùn)行sub-500。有一些條件和模式可以讓你運(yùn)行sub-500。但在5nm處，因?yàn)檎w熱度范圍和整體功耗預(yù)算，移動設(shè)備可能會在sub-500毫伏的各個(gè)corner運(yùn)行。”

Cadence公司研發(fā)副總裁Mitch Lowe表示：“還存在更具挑戰(zhàn)性的引腳訪問范例，更復(fù)雜的布局和布線約束，更密集的電網(wǎng)支持，庫架構(gòu)和PG網(wǎng)格之間更緊密的對齊，更多且更嚴(yán)格的電遷移考慮，更低的電源電壓角，更復(fù)雜的庫建模、提取建模中的其他物理細(xì)節(jié)，更多及更新的DRC規(guī)則。顯然，EUV光刻至關(guān)重要，這確實(shí)可以減少多模式的挑戰(zhàn)和影響，但并不能消除。盡管EUV簡化了一些事情，但仍有一些新的挑戰(zhàn)正待處理。”

在5nm節(jié)點(diǎn)，電和熱寄生效應(yīng)將大幅增加，弗勞恩霍夫集成電路研究所IIS的高級物理驗(yàn)證博士Christoph Sohrmann表示， “首先，F(xiàn)inFET設(shè)計(jì)將承受更強(qiáng)的自熱，雖然這可以在技術(shù)方面進(jìn)行處理，但減小的間距是一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，不能完全被靜態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)則覆蓋。設(shè)計(jì)中增強(qiáng)的熱/電耦合將有效地增加到芯片的敏感部分(如高性能SerDes可能的峰值可能會有限制)。但這很大程度上取決于用例和隔離策略。選擇正確的隔離技術(shù)-如設(shè)計(jì)層面和技術(shù)-需要更準(zhǔn)確、更快速的設(shè)計(jì)工具，特別是非常先進(jìn)節(jié)點(diǎn)中的寄生效應(yīng)。

著向7nm和5nm節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)變，趨勢很明顯：頻率增加，Margin更小，集成電路更密集，以及新設(shè)備和材料，Helic市場營銷副總裁Magdy Ababir強(qiáng)調(diào)說。他在最近的設(shè)計(jì)自動化大會上表示，一個(gè)小組討論并辯論了以下概念：在何時(shí)何地應(yīng)包括全電磁(EM)驗(yàn)證;忽視磁效應(yīng)是否會導(dǎo)致開發(fā)過程中出現(xiàn)更多的硅故障;應(yīng)用最佳實(shí)踐以避免EM耦合和跳過繁瑣的EM驗(yàn)證部分的方法仍然是一種有效的做法;如果這種方法可擴(kuò)展到5nm集成電路及以下;如果由電感耦合和模擬困難引起的緊密矩陣是工業(yè)沒有廣泛采用全EM模擬的主要原因;以及在工具開發(fā)，教育和研究方面可以做些什么來降低工業(yè)采用全EM模擬的障礙。

與任何時(shí)候相比，5nm節(jié)點(diǎn)都帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。“當(dāng)你考慮到芯片上的數(shù)十億組件時(shí)，它解釋了為什么當(dāng)你從一代轉(zhuǎn)向另一代時(shí)，構(gòu)建這些芯片所需的團(tuán)隊(duì)規(guī)模在增加。所有這些挑戰(zhàn)都在等著我們，這些問題將繼續(xù)存在，人們將提出解決問題的技巧，并繼續(xù)照常工作。工程實(shí)際上是建造能夠始終可靠工作的東西的藝術(shù)，” eSilicon IP工程副總裁Deepak Sabharwal說說。