盡管摩爾定律的尺寸縮減正在放緩，在最先進節(jié)點開發(fā)芯片的難度和成本也越來越高，但向10/7nm節(jié)點邁進的芯片制造商還是在越來越多。

這一趨勢還將持續(xù)多久，還有待觀察。很可能7/5nm節(jié)點將會需要新的工藝制造設(shè)備、工具、材料和晶體管結(jié)構(gòu)。除此之外，還不存在一個行業(yè)普遍接受的路線圖，這使得未來的節(jié)點比過去的節(jié)點更加晦暗難懂。但至少從目前來看，現(xiàn)在大力投資10/7nm的公司的數(shù)量比幾年前預(yù)計的更多——這不是任何人都可以輕易做出的決定。

　　圖3：三維堆疊的測試芯片，來自Imec

“在28nm之前，要確定一種跨節(jié)點的業(yè)務(wù)案例是否合理，公司可能做的業(yè)務(wù)分析會比現(xiàn)在更少。”西門子一個業(yè)務(wù)部門Mentor的CalibrePhysicalVerification產(chǎn)品營銷總監(jiān)MichaelWhite表示，“幾乎所有人都認(rèn)為他們必須完全向前跳，在結(jié)束了節(jié)點n的項目一之后，就要啟動在節(jié)點n-1的項目二。這種節(jié)點到節(jié)點的跳躍讓布局縮小，然后可以增加更多器件、IP和內(nèi)存——現(xiàn)在這都是過去式了。在低于28nm的節(jié)點，跨節(jié)點跳躍時的設(shè)計/驗證難度增大了許多。”

成本也更加高昂，走錯一步就會給業(yè)務(wù)造成持續(xù)的影響。

“晶圓成本和掩模成本都更高了，也需要更大規(guī)模的IP團隊。”White說，“你需要更加仔細(xì)地驗證你的芯片是否有足夠的市場支撐你的業(yè)務(wù)案例完成開發(fā)。另外，項目的規(guī)模會變得比過去所需的規(guī)模更大，你需要確保你有執(zhí)行這些項目的資本和人力資源。這并不意味著向先進節(jié)點邁進的公司變少了，因為我們有100家使用Calibre的公司簽約了28nm以下的DRC/DP/MP。如果你認(rèn)同博客圈里的斷言，說只有大公司才會做finFET節(jié)點，那這個數(shù)量可比預(yù)期要多得多。但在跳入這個越來越深的池子之前，公司所要思考的也越來越多。”

半導(dǎo)體行業(yè)普遍認(rèn)同這個觀點。向10/7nm的發(fā)展動力已經(jīng)將重點轉(zhuǎn)向了技術(shù)的業(yè)務(wù)方面。

“選擇10nm和7nm工藝節(jié)點并不一定是為了實現(xiàn)更高的性能，而是為了支持高產(chǎn)量生產(chǎn)、低周轉(zhuǎn)時間和可盈利的業(yè)務(wù)。”TeklatechCEOTobiasBjerregaard說，“使用全自動化生產(chǎn)流程解決最先進節(jié)點的技術(shù)難題，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的生產(chǎn)流程，這才是現(xiàn)在討論的中心。”

當(dāng)然，所有這些都不能空穴來風(fēng)。大型芯片制造商正在試驗一些選擇，包括一個封裝多個芯片、不同內(nèi)存和全新架構(gòu)的異構(gòu)集成。但器件的尺寸縮減仍然是這個領(lǐng)域的一個關(guān)鍵部分，至少現(xiàn)在是這樣。

“如果你要生產(chǎn)芯片，制造加工（fabrication）是其中非常重要的一部分，而且這就是過去實質(zhì)上定義了摩爾定律的關(guān)鍵。”Bjerregaard說，“但生產(chǎn)一款芯片涉及很多東西，從獲得靈感到設(shè)計電路再到生產(chǎn)。這聽起來有點沒那么迷人了，但這是好事，因為過去都是關(guān)于性能的競爭，英特爾和AMD在MHz級處理器和處理器功率等等指標(biāo)上互相競賽?，F(xiàn)在這個行業(yè)正變得越來越穩(wěn)定，我們需要看穩(wěn)定生產(chǎn)的能力和盈利能力。”

但向下一節(jié)點推進的公司的多樣性讓人驚訝。人工智能和云計算等相對較新的技術(shù)更適合最先進的節(jié)點。而在一兩個節(jié)點之前，這兩個市場都還沒有引起注意。甚至傳統(tǒng)上落后摩爾定律至少幾個節(jié)點的汽車制造商也在利用最先進節(jié)點開發(fā)用于輔助駕駛和自動駕駛的人工智能。

“每個想做人工智能的人都需要7nm及以后節(jié)點的性能、功率和外形尺寸。”Cadence的Digital＆SignoffGroup的產(chǎn)品管理總監(jiān)ChristenDecoin說，“每個想在這里有所發(fā)展的人都需要在這里有真材實料，這里有大公司和小公司。另一個推動力是服務(wù)器芯片，以及任何連接到云的東西。你可以看到谷歌和亞馬遜等公司正在云方面投入越來越多的資源，而且在云中做的事情也越來越多。如果你想進入服務(wù)器芯片市場，你必須要7nm。第三，汽車行業(yè)也不再是過去常見的功率MOS之類的了。其中有了更多MCU、信息娛樂系統(tǒng)。這是一個巨大的市場。在這三個垂直市場之間，有20到40家客戶想要7nm，這是很不得了的。這個行業(yè)已經(jīng)20年沒看到過這種情況了。”

eSilicon的IP營銷總監(jiān)LisaMinwell同意這個說法：“仍然只有典型的大公司才能負(fù)擔(dān)這種東西。但我們也看到網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一些創(chuàng)業(yè)公司也在向7nm節(jié)點遷移。對于這些公司，最大的推動因素是可以使用112Gb/s的SerDes。更大型IP的合格認(rèn)證周期也更難。硅芯片領(lǐng)域的驗證并不輕松。”

不同之處

在10/7nm節(jié)點，工藝會變得復(fù)雜得多。因此，規(guī)則和限制也更多，而在設(shè)計方法和工具方面，很多公司現(xiàn)在都在進行大量創(chuàng)新。

“我們不再像過去50年里那樣進行尺寸縮減了，日程規(guī)劃也不一樣，收益情況也將不同，各種時間表都會改變。”Synopsys的SiliconEngineeringGroup副總裁TomFerry表示，“而創(chuàng)新肯定是不同的。之前的創(chuàng)新都是關(guān)于平面CMOS。我們過去基本上都是同等地縮減尺寸，而且在功率、密度、成本和性能上的改進速度都差不多相等?，F(xiàn)在情況復(fù)雜多了，你再也無法只縮減尺寸就能改善各個指標(biāo)了，因為我們正在操作的幾何尺寸全然不同了。情況再也不同了。這不是線性變化的。”

除了前期設(shè)計，在工藝開發(fā)、晶體管器件開發(fā)和光刻策略方面也正在進行創(chuàng)新。

“另外在后端，在產(chǎn)量增長方面也有相當(dāng)一些創(chuàng)新。”Ferry指出，“當(dāng)然，有問題才有創(chuàng)新，所以工藝、器件和光刻的選擇都圍繞相關(guān)的尺寸和物理學(xué)，要想辦法解決所有這些問題。產(chǎn)量增長可以說是一個自然而然的結(jié)果，因為技術(shù)變得更復(fù)雜了之后，實現(xiàn)產(chǎn)品投產(chǎn)的難度也大了很多，所以需要進行全面的創(chuàng)新。”

Ferry補充說，晶圓代工廠現(xiàn)在更加關(guān)注為特定應(yīng)用優(yōu)化已有的節(jié)點，比如28nm、20nm、16nm和14nm；這些應(yīng)用包括自動RF和低功耗IoT。“在降低變異性方面也有很多關(guān)注和創(chuàng)新。因為物理學(xué)方面的原因，變異性是一個大問題。我們沒有我們之前有的利潤，現(xiàn)在為了增加利潤，我們真的必須努力降低變異性——而這幾乎已經(jīng)達到原子層面了。人們正在分析這些問題。”

Synopsys正在開發(fā)一種設(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化流程，這涉及到新工藝對終端設(shè)計和設(shè)計目標(biāo)的影響。“設(shè)計一款晶體管并讓其完成一個處理器內(nèi)核的標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計和布局布線，然后從功率、性能、面積和產(chǎn)量的角度看這種晶體管在這種環(huán)境中的效果如何。因為情況變得非常復(fù)雜，人們在提出晶體管的設(shè)計方法或工藝流程或光刻策略上會有很多選擇。這不是只根據(jù)經(jīng)驗和先驗知識就能完成的。對我們的影響是現(xiàn)在很多模擬、TCAD和光刻技術(shù)出現(xiàn)得早得多，標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計者和芯片設(shè)計者需要比以前遠(yuǎn)遠(yuǎn)更早地參與到對這些選擇的評估中。”

新數(shù)學(xué)

在這波開發(fā)新工具和新流程的狂潮之下，有一個壓倒一切的擔(dān)憂，即隨著尺寸縮減而出現(xiàn)的成本上漲。

“單位晶體管的成本自28nm以來就不再下降了。”Teklatech的Bjerregaard說，“與此同時，出現(xiàn)了很多競爭，而且這些競爭都與盈利能力有關(guān)。這個行業(yè)發(fā)生整合的部分原因是：為了競爭，你需要讓這些用新制造技術(shù)生產(chǎn)的芯片有非常高的產(chǎn)量——至少1億份。人們的關(guān)注重點是投產(chǎn)、有量，然后拿到7%到8%的利潤。這和90年代與00年代的情況不一樣了，那時候一切都關(guān)乎性能。”

他說在移動市場，競爭的地方是調(diào)整制造技術(shù)的最后幾個百分點。“你在這些大公司看到的情況也適用于那些每天和布局布線打交道的工程師，這不只是基于他們選擇EDA技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)。這是一種商業(yè)決策。這是一個戰(zhàn)略決策。而且你從根本上就沒法繞過如何將一項EDA技術(shù)變成利潤的問題。如果你有一個有數(shù)百人的巨大的設(shè)計部門，如果一項工具不行了，那就會有幾百人只能等著，這可是非常昂貴的。”

另外為了消除生產(chǎn)流程中的低效部分，還有更多工作要做。這需要整個供應(yīng)鏈達到全新的效率水平。

“如果你想收緊它并讓它盈利，那你就必須非常嚴(yán)格地規(guī)劃整個流程。”Bjerregaard說，“對于頂級的半導(dǎo)體公司來說尤其如此，因為它們?nèi)伎梢匀〉猛瑯拥闹圃旒庸ぜ夹g(shù)。它們?nèi)伎梢匀〉猛瑯拥腅DA工具，而且他們或多或少都能取得同樣的架構(gòu)。所以它們到底能在哪里實現(xiàn)差異化？這就是生產(chǎn)穩(wěn)定性發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方了，因為過程設(shè)計就像是一種藝術(shù)形式，你沒法直接就添加或購買一個流程。你必須讓流程符合你的文化。你必須讓其配合你的生產(chǎn)方式。一切都需要妥善安排——你反復(fù)檢查一切的方式、如何定性和定量地測定是否成功等等。”

在同一個方向上，Cadence的Decoin也指出了晶圓廠的戰(zhàn)術(shù)變化。他說：“晶圓廠想要與更少的玩家合作，因為投產(chǎn)這個節(jié)點要遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜得多。為了讓EDA供應(yīng)商能提供技術(shù)，它們這部分需要給出大量投資，所以他們不得不限制合作伙伴的數(shù)量。”

復(fù)雜的行業(yè)動態(tài)

公司向10/7nm進軍的原因并不簡單直接。在如半導(dǎo)體行業(yè)一樣動態(tài)的行業(yè)里，要對每家公司和每種設(shè)計方案進行特征描述是很困難的。

“在向下一個節(jié)點遷移方面，有很多東西需要考慮。”SiliconCreations公司CTOJeffGalloway說，“在過去，向下遷移可以節(jié)省晶體管的成本。從65nm到40nm再到28nm和16nm，都是這么個情況。從16nm到7nm就有點費勁了。所以你實際上要尋找的是IP可用性。”

不過，當(dāng)進入10/7nm節(jié)點時，這一節(jié)點上的情況似乎比根據(jù)歷史趨勢預(yù)測的情況更活躍。每一個新技術(shù)節(jié)點都有很高的風(fēng)險，還有產(chǎn)量問題、可靠性問題，只有少量客戶會跟進這一節(jié)點。

Decoin說：“人們感覺在7nm時，價格將會非常高，以至于歷史趨勢會更加不顯，但現(xiàn)在著眼于10和7nm的客戶可不止幾家。實際上超過20家。”

這將人們的關(guān)注重點集中到了10/7nm及以后節(jié)點的成本降低上，人們需要更加理解這到底需要什么。

“大型半導(dǎo)體公司將會接觸任何和每一種他們可以接觸的工具，以增強它們對產(chǎn)量提升和節(jié)點開發(fā)的理解。”Mentor的硅學(xué)習(xí)產(chǎn)品部門的產(chǎn)品營銷經(jīng)理MattKnowles說，“他們已經(jīng)生成了所有這些數(shù)據(jù)，但過去沒有財務(wù)上的理由來分析和研究這些數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在情況已經(jīng)大不一樣了，它們有財務(wù)上的理由，想要榨取出數(shù)據(jù)中的所有信息。我們正在逼近大量基礎(chǔ)限制，但事實上，從這些分析和分析技術(shù)中，我們?nèi)匀贿€能榨取一些價值。這不僅涉及技術(shù)本身。這是互相關(guān)聯(lián)的。”

總結(jié)

10/7nm節(jié)點上的價格還有改進的空間，而且可能不止于此。

“這關(guān)乎穩(wěn)定的生產(chǎn)設(shè)計流程，從而以一種穩(wěn)定且專業(yè)的方式生產(chǎn)芯片，但這并不意味著這里沒有投資，也不意味著EDA行業(yè)或創(chuàng)業(yè)公司在這里沒有機會和挑戰(zhàn)。”Bjerregaard說，“這只是意味著我們關(guān)注的重點到處都是。往往是沒人想到的一些地方，因為這不是人們一直在談?wù)摰臇|西。這更像是說‘哇，實際上只要在這個設(shè)計流程的角落這么做，我們就可以節(jié)省數(shù)百萬美元。’”

當(dāng)從已有的節(jié)點和工具中再也不能獲取價值時，我們還有其它一些正在開發(fā)中的選擇。

“思考一下產(chǎn)量vs性能/功率vs創(chuàng)新的關(guān)系，每個人都著眼于下一個節(jié)點，從‘超越摩爾定律’的角度看，現(xiàn)在存在很多進展——硅光子學(xué)、3D-IC集成、package-on-die等等。”Decoin說，“在7nm之后，還有5nm和3nm，即使深入這些節(jié)點的公司更少了，仍然還會有創(chuàng)新。但這不再只是晶體管尺寸下降這么簡單了。”