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來源：愛集微 對部分代工工藝提價8%，和意法半導(dǎo)體（ST）聯(lián)合宣布在法國新建12英寸晶圓廠，與高通聯(lián)手在美國本土擴(kuò)產(chǎn).......近日，格芯搶媒體頭條的力度不輸于純代工廠的同行領(lǐng)頭羊臺積電。 其中值得關(guān)注的各類消息中，格芯與ST建新廠的信息量非常大。官宣內(nèi)容提到，到2026年，新廠滿載的話能達(dá)到年產(chǎn)62萬片，其中ST和格芯產(chǎn)能分配為42% vs 58%，并且可以充分利用ST另外一座在Crolles晶圓廠的現(xiàn)有設(shè)備，并且產(chǎn)品將升級格芯22FDX（即22nm）平臺——從22nm演進(jìn)到18nm；另有報道稱，該廠投資約40億歐元，其中一部分資金來自法國政府的投資，是歐洲《芯片法案》的一部分。 也許，這則新聞最關(guān)鍵的一句話是“擴(kuò)大和增強(qiáng)FD-SOI技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)圈”。 格芯市場活躍度的提升，以及FD-SOI的不屈和倔強(qiáng)，背后有著怎樣的底氣？ 后28nm時代，F(xiàn)D-SOI的糾結(jié) 后28nm時代，在摩爾定律的技術(shù)演進(jìn)路線指引下，逐漸形成了FD-SOI和FinFET（Fin Field Effect Transistor）兩條邊界清晰的生態(tài)圈。 FD-SOI（fully depleted silicon-on-insulator）即全耗盡型絕緣體上硅的平面工藝技術(shù)，主要依賴于兩項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。首先，在襯底上面制作一個超薄的埋氧層。然后，用一個非常薄的硅膜制作晶體管溝道。因?yàn)闇系婪浅１。瑹o需對通道進(jìn)行摻雜工序，耗盡層充滿整個溝道區(qū)，即全耗盡型晶體管。從結(jié)構(gòu)上看，F(xiàn)D-SOI晶體管的靜電特性優(yōu)于傳統(tǒng)體硅技術(shù)。埋氧層可以降低源極和漏極之間的寄生電容，還能有效地抑制電子從源極流向漏極，從而大幅降低導(dǎo)致性能下降的漏電流。由于FD-SOI晶體管結(jié)構(gòu)及其超薄絕緣層，偏置電路的效率更高。而且，埋氧層的存在允許施加更高的偏置電壓，使晶體管動態(tài)控制取得突破性進(jìn)步。 
Bulk vs FD-SOI FD-SOI的技術(shù)特色保證了該技術(shù)在低功耗方面有著相當(dāng)強(qiáng)的市場競爭力，在洶涌澎湃的物聯(lián)網(wǎng)大潮下，看起來FD-SOI有著相當(dāng)廣闊和美好的市場前景。 2015年，知名半導(dǎo)體技術(shù)分析機(jī)構(gòu)semiengineering舉辦了一個圓桌會談，會談嘉賓包括芯原微董事長戴偉民，三星半導(dǎo)體代工營銷高級總監(jiān) Kelvin Low，新思產(chǎn)品解決方案銷售高級總監(jiān)Mike McAweeney，ST的技術(shù)研發(fā)副總裁Philippe Magarshack等等，對后28nm時代的技術(shù)路線演進(jìn)和FD-SOI生態(tài)圈問題做了深入探討并交換了意見。 與會者一致認(rèn)為，在一系列“后28nm時代”的更先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)上，F(xiàn)D-SOI和FinFET將直接兵戎相見，F(xiàn)D-SOI在保證高性能狀態(tài)下的低功耗特色將是該技術(shù)路線成功的關(guān)鍵，Kelvin Low還專門提到了相應(yīng)的成本問題。 在他看來，客戶對物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備等許多其他產(chǎn)品成本的高度敏感性，很可能讓FinFET無法做到更深層的市場滲透。Philippe Magarshack在會談中還表示，公司已經(jīng)為FD-SOI朝向14nm做了大量的準(zhǔn)備工作，三星當(dāng)時也在加大力度研發(fā)28nm的FD-SOI技術(shù)，未來向14-10nm工藝遷移的過程中，完全有可能繼續(xù)擁抱這一技術(shù)路線。 如果時間節(jié)點(diǎn)拉回到2016年，面對研發(fā)和資本投入成本呈指數(shù)級別增長的情況，眾多代工廠的客戶群正在面臨一場重大抉擇。當(dāng)時，眾多Fabless公司都表示采用FinFET技術(shù)的成本太高，而且模擬和混合信號設(shè)計不太需要FinFET。當(dāng)時，16nm/14nm芯片的平均設(shè)計成本約為8000萬美元，而28nm平面技術(shù)（以Bulk CMOS為代表）的平均設(shè)計成本為3000萬美元。當(dāng)時美國知名通信媒體（主做機(jī)頂盒、數(shù)字媒體適配器）類芯片設(shè)計公司 Sigma Designs就表示，綜合考慮到產(chǎn)品的性能、功耗、上市周期等等，他們不會走FinFET路線。對于很多主打物聯(lián)網(wǎng)和射頻芯片的公司來講，28nm成為了當(dāng)時性價比最高的開發(fā)平臺，直至今日，28nm依然是最有代表性的成熟工藝節(jié)點(diǎn)，已經(jīng)成了各家代工廠激烈廝殺的主戰(zhàn)場之一。 在把時間節(jié)點(diǎn)拉長到更遠(yuǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)的下游客戶已經(jīng)習(xí)慣了每個工藝節(jié)點(diǎn)的遷移都大約能帶來30%的成本優(yōu)化，但是在后28nm時代，因193nm波長的光刻技術(shù)、EDA工具等一系列因素，成本優(yōu)化度被研發(fā)成本嚴(yán)重吞噬，除了FPGA、CPU和GPU等要求高算力的領(lǐng)域選擇16nm/14nm的FinFET之外，很大比例的模擬集成電路的代工客戶將長期駐足在28nm節(jié)點(diǎn)上。 以事后之見來看，F(xiàn)inFET顯然是一大贏家，尤其在10nm之后活力滿滿，近乎形成了贏者通吃的局面。反觀FD-SOI，地盤在縮小，但也沒有輸?shù)囊粩⊥康亍?br /> 而給與FD-SOI技術(shù)進(jìn)一步向22nm進(jìn)發(fā)以重大打擊的并不是FinFET，而是臺積電采用的傳統(tǒng)Bulk CMOS技術(shù)——在28nm節(jié)點(diǎn)可謂大獲全勝。 那么，為何FD-SOI生態(tài)圈始終無法規(guī)模性擴(kuò)大？ 成本，還是成本 FD-SOI的一大賣點(diǎn)就是良好地解決了隨機(jī)參雜分布（random dopant fluctuation, RDF）與短通道效應(yīng)（short channel effect, SCE）問題，在低功耗方面有著突出表現(xiàn)，臺積電也當(dāng)仁不讓，針鋒相對地推出了28ULP CMOS低功耗技術(shù)，但SOI晶圓的成本要明顯高出Bulk晶圓，這一問題始終困擾著FD-SOI生態(tài)圈的拓展。 六七年來，雖然格芯聯(lián)手ST，NXP等，不遺余力地斷拉三星、索尼、瑞薩等“入群”，但在28nm工藝節(jié)點(diǎn)上，臺積電在生態(tài)圈和技術(shù)成熟度上始終領(lǐng)先ST和格芯好幾個身位。生態(tài)圈的大小，直接決定了晶圓產(chǎn)能的大小，而晶圓產(chǎn)能則直接決定了成本控制。 在raw wafer上本來就處于明顯劣勢的FD-SOI，由于無法持續(xù)走量，成本居高不下，抵消了研發(fā)成本的上漲，讓FD-SOI的產(chǎn)業(yè)生態(tài)與技術(shù)拓展始終處在溫飽有余而小康不足的層面上。 對此，全球知名半導(dǎo)體咨詢機(jī)構(gòu)某高級分析師就這幾年來FD-SOI技術(shù)走向和生態(tài)問題，向集微網(wǎng)做了較為全面的剖析。他有一個總的判斷，認(rèn)為到目前為止，F(xiàn)D-SOI技術(shù)算不上特別成功：“FD-SOI技術(shù)路線下，法國的Soitec公司制造的raw wafer，一個月的產(chǎn)能28nm和22nm加起來向全球供貨也不過3萬片而已。而臺積電的Bulk CMOS 28nm的量，一個月就超過了15萬片。直到今天為止，F(xiàn)D-SOI的整個產(chǎn)業(yè)圈依然還是集中在格芯、ST和NXP等少數(shù)廠家，這個集群比起以臺積電、英特爾、AMD、等另一種技術(shù)路線的圈子，規(guī)模和需求都要小的多，最根本的原因，是臺積電的28nm做的實(shí)在是太成功了，再加上聯(lián)電和中芯國際的28nm也都相當(dāng)出色，這個領(lǐng)域的產(chǎn)能已經(jīng)殺成了紅海。” 該分析師還著重提到，由于FD-SOI的規(guī)模化經(jīng)營有限，導(dǎo)致其晶圓成本一直降不下來：“現(xiàn)在Soitec用SmartCut（注氫剝離技術(shù)）做出來的一片12寸晶圓要賣到500美元，最高的時候可以達(dá)到800美元，而另一方如果以外延片為主，一片的價格是150美元，對比下來，每一塊晶圓，Soitec和格芯都要承受350美元的成本差，用FD-SOI能做的，臺積電不用FD-SOI全部都做得到，價格還更便宜。” 該分析師指出，從技術(shù)的角度看，F(xiàn)D-SOI的特色在于“FD”（Full Depleted耗盡層充滿整個溝道區(qū)），然而前沿技術(shù)節(jié)點(diǎn)下的FinFET和其升級版GAA同樣已經(jīng)做到了FD；從市場投入的角度看，格芯與ST這次新建工廠的資本投入，即便在法國政府和“歐洲半導(dǎo)體芯片法案”的加持之下（路透社報道總投資暫定為42億歐元），也完全無法和頭號代工巨頭臺積電相拮抗。 該分析師算了這樣一筆賬：“在28nm的平臺上，臺積電如果每個月產(chǎn)出1000片晶圓，需要投入1億美元，如果月產(chǎn)能是4萬片，需投入40億美元；但如果把節(jié)點(diǎn)推進(jìn)到7nm，那平攤到每塊晶圓的投入資金要翻倍。從格芯新廠所需的資金推算，也大致能看到他們的產(chǎn)能是多少。” 吃到缺芯紅利的格芯 由此可見，F(xiàn)D-SOI狹窄而略顯逼仄的生態(tài)圈，讓其生產(chǎn)成本成為了“阿基里斯之踵”。 但目前種種跡象顯示，格芯、ST與研究機(jī)構(gòu)Leti構(gòu)筑的以法國為中心的FD-SOI生態(tài)圈，不但沒有因客戶拓展緩慢而自我消磨，反而有穩(wěn)中有升的起勢趨向，其中一個重要原因，是吃到了全球半導(dǎo)體產(chǎn)能緊缺的紅利。 缺芯大潮之下，以臺積電為首的東亞代工圈和眾多美國IDM廠商的策略性屯貨，讓芯片交付時間不斷拉長，反而給了一度被冷落的格芯SOI以擴(kuò)產(chǎn)的機(jī)會。 近日，格芯與高通加強(qiáng)在RF-SOI方面的合作，在美國東海岸擴(kuò)產(chǎn)，以及主做藍(lán)牙芯片北歐半導(dǎo)體不滿臺積電拉長交貨時間，轉(zhuǎn)而投靠格芯，這兩則新聞可以說是格芯穩(wěn)住代工市場份額，徐圖再進(jìn)的明證。 除了“缺芯紅利”這一因素之外，格芯CEO Tom Caulfield還敏銳地抓住了資本市場的熱度，把在納斯達(dá)克上市的機(jī)會巧妙和歐洲和美國的芯片法案的出臺貼合起來，下出了一步好棋。 格芯和ST公開的新聞通稿顯示，雙方這次合作將從22nm平臺向18nm遷移，對此該分析師告訴集微網(wǎng)：“這些工藝節(jié)點(diǎn)數(shù)字，很可能只是個市場營銷的噱頭，從FD本身的技術(shù)以及從客戶的角度看，繼續(xù)向14nm遷移也不是那么有必要，畢竟FinFET已經(jīng)在10nm以下早就建立了良好的生態(tài)。” 中國大陸的機(jī)會？ 但無可否認(rèn)的是，F(xiàn)D-SOI技術(shù)從22nm到五年前業(yè)界看好的宏偉目標(biāo)——10nm演進(jìn)，會帶動整個相應(yīng)的IP設(shè)計、晶圓前端設(shè)備的配套性研發(fā)的推進(jìn)。FD-SOI的不屈和倔強(qiáng)，豐富了技術(shù)生態(tài)路線，并且有可能為中國大陸向前沿節(jié)點(diǎn)進(jìn)發(fā)提供了另一種可能。 在美國不斷加大對華設(shè)備、EDA卡脖子力度的大背景下，這一技術(shù)路線目前可謂被賦予更深層次的意義。 芯原股份創(chuàng)始人、董事長兼總裁戴偉民是國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)玩家中推崇FD-SOI技術(shù)的典型代表。他認(rèn)為FD-SOI是中國大陸Fabless“換道超車”的機(jī)會，有望率先在圖像傳感器、ISP、物聯(lián)網(wǎng)芯片市場落地，在他看來：“IoT與AI時代需用FinFET和FD-SOI兩條腿走路。FinFET是大量數(shù)字芯片，多數(shù)時候具有高性能，F(xiàn)D-SOI的特性是低功耗和高集成。” 從地緣政治上講，F(xiàn)D-SOI“朋友圈”的大本營在歐洲的法國，法國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)有著另類的獨(dú)立性。該資深分析師也承認(rèn)，在未來，F(xiàn)D-SOI產(chǎn)業(yè)生態(tài)完全有可能朝著對華合作的方向靠攏。 集微網(wǎng)之前曾刊發(fā)《隱秘的國有化之路：法國Soitec更換CEO背后的玄機(jī)》一文，對國內(nèi)硅片生產(chǎn)商滬硅產(chǎn)業(yè)和Soitec微妙的競合關(guān)系的做過闡述。文中提到，滬硅集團(tuán)掌握了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的SIMOX、Bonding、Simbond等先進(jìn)的SOI硅片制造技術(shù)，并通過Soitec授權(quán)方式掌握了Smart-Cut TMSOI硅片制造技術(shù)。滬硅產(chǎn)業(yè)某高管對集微網(wǎng)談到：“我們不是沒有技術(shù)，而是因?yàn)槭袌錾鷳B(tài)原因才選擇與法國人合作，這是一種借船出海或者借雞生蛋策略。法國人想把我們納入到他們的工業(yè)體系中去，這涉及到技術(shù)授權(quán)，在這個基礎(chǔ)上，雙方可以共享中法兩個大國的市場。” 結(jié)語 FD-SOI技術(shù)路線在28nm之后進(jìn)展并不順利，客戶群和生態(tài)圈不斷被擂臺的另一方臺積電、英特爾等蠶食鯨吞，但近年來因一系列內(nèi)外復(fù)雜因素，如晶圓產(chǎn)能缺貨、美國“芯片民族主義”的影響，格芯和ST抓住時機(jī)，找到了為FD-SOI重整旗鼓的最佳窗口期，這個窗口期對國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來講同樣有重大意義，未必不是突破美國14nm“卡脖子”的一種可行性方案。從“以美為師”到“以法為師”，圍繞這一主題，加強(qiáng)FD-SOI技術(shù)路線的IP設(shè)計研發(fā)以及上游材料、設(shè)備的資金投入的可行性，亟待行業(yè)大咖做更深入的研究。 |
