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工艺节点的战国时代

类别:业界要闻  出处:捷配电子市场网  发布于:2018-03-12 16:30:44 | 153 次阅读

  大量的新节点、半节点,以及在两者之间的每一个数字的产生正在芯片制造商之造成混淆。虽然大多数人认为有选择是好事,但大家并不清楚哪个或哪些选择是上策。
  问题在于哪个IP可用于这些节点;该IP在功率、性能、面积和对各种噪声类型的敏感度方面与其他节点的差异如何;面对不同的节点和nodelet,不同版本的IP对应那些不同制造工艺进行测试。因为大多数新的不全节的节点定义尚未明确。因此,对于哪种类型的晶体管会被使用,哪种会影响栅极泄漏和动态功率密度,以及这将如何影响相邻的IP和其他组件需要多少额外的掩模图案等等问题,现在下结论还为时过早。
  ClioSoft公司的营销副总裁Ranjit Adhikary表示:“现在,不同厂商之间的节点数字和名字不尽相同,每一种的PPA(性能、功耗、面积)表现怎么样?因为PPA是决定你设计产品使用哪种IP的最基础因素。但是,因为选择太多,现在你需要查看哪些代工厂提供它,它支持哪个节点。对于每个IP,可能会有不同的内存或缓存,并且因代工厂、类别和工艺节点而异。”


  代工厂的计划和它们如今的位置。 (来源:Analysts, Foundry Reports/Semiconductor Engineering)
  但是,所有主要的工艺节点都有多种类型,多个部分节点从22nm到3nm不等。这引发了关于哪些IP可用的问题,它是否已针对每个节点进行了充分的特性描述和测试,以及是否会支持适用于不同的终端市场所需要的时间。这对移动器件而言并不是问题,在过去的几十年中,移动器件以相对较短的产品周期占据了芯片市场的主导地位,但对于工业和汽车应用而言则完全是另外一回事,此处的器件需要数十年的支持。
  Synopsys公司DesignWare Analog和MSIP解决方案集团的高级营销总监Navraj Nandra表示:“我们从未见过如此的代工厂节点激增。我们有从18nm到1nm的节点名称。但这需要管理层承诺投资一个节点。他们希望看到硬IP是否可用,为此,你需要一个可用的SoC,因为你确实希望看到在新节点中使用的IP的芯片测试报告。这同样需要IP供应商的投资。所以代工厂可能会从时序角度和ROI角度(如高速内存接口或基于HBM的产品)中找到一些稍好的东西。 但你也可能在这里花一大笔钱,却赚不到钱。”
  这似乎是IP开发人员的一致意见。他们没有像过去那样支持每个节点,而是试图评估哪些节点可能产生足够的产量,以创造合理的投资回报。努力并不总是转化为利润,特别是在高级节点上,而错误的选择可能代价高昂。
  Cadence公司的产品营销,DDR,HBM,Flash/存储和MIPI IP部门主管 Marc Greenberg表示:“我们都知道,较新的工艺掩模图案更多的是一种工艺能力(晶体管密度和功率/速度的折中)指南,而不是工艺的任何实际物理尺寸。迄今为止的行业标准一直是指出工艺中的关键差异——例如,SiON(氮氧化硅)vs high-k/metal gate,是否使用EUV——使用字母或符号后缀对工艺进行标记。但是这可能最终会成为新的nodelet而不是新的后缀。在28nm节点上,我们看到了28nm工艺的很多变种,它们通常互不兼容。这为IP行业带来了许多工作,以涵盖所有这些工艺节点的变化。我们还看到一些早期的finFET节点起飞出现了一些困难,这对于IP行业来说是更大的工作,而这并不一定会转化为销量。”
  nodelet是什么?
  市场营销术语是造成nodelet困惑的主要原因。数字也模糊到没有人确切知道数字的真正含义。例如台积电和三星所谓的5nm实际上是英特尔、GlobalFoundries和Imec的7nm,对于10/7nm和5/3nm也是如此。最重要的是,这些节点有不同的版本,基于低功耗、基于高性能、基于成本,每一种都有其不同的特点。
  Synopsys公司的Nandra表示:“一个既定节点的预想的工艺是,如果它在量产,那么你可以优化该节点。例如,你有28nm,你知道它很好用,而缺陷密度是一个固定的百分比。为了改善这一点,你可以稍微压缩一下,给它一个新的名字,比如22nm。但这并不意味着它有22nm的栅极长度。你只是做了一些事情来让它拥有更好的密度。对于IP行业而言,这不应该是一个大的改变。但是,当涉及到高速版本时,由于封装的提取,仿真,电阻,电容和感应关系,光学缩小对晶体管的影响,所有这些都会造成大量的重新工作。你需要对IP进行完全的重新验证。布局后寄生参数提取可能是一个相当大的挑战。或者你需要完成一个新的测试芯片,以确保你没有遗漏任何东西。”
  在finFET时代之前,代工厂将采用英特尔的节点和半节点的“Tick-Tock”策略。但是,在28nm之后,节点编号开始分裂成可能或不可能出现的编号片段,这在很大程度上是因为没有足够的IP选择使它们可行。虽然大IP供应商将跟进,至少目前来说,目前还不清楚行业其他厂商能否跟上。
  Cadence公司的Greenberg表示:“12/11nm节点也获得了代工厂的良好支持。我们从代工厂得到的指导是,它应该是一个从16/14nm到12/11nm的‘简单’IP端口。然而,在某些情况下,我们已经采取了生产和描述这些节点的新IP测试芯片的步骤。一些代工厂正在支持10nm半节点和它的8nm nodelet,我们正在支持选择的IP。在7nm处,我们有一个强大的节点,Cadence广泛支持最新的先进技术IP。现在还无法确定是否会有一个广泛支持的6nm节点,或者行业是否会跳跃到5nm。”
  Nandra指出,这一工作可能比IP开发者预期的更昂贵。“如果可以的话,客户会要求基于芯片的特性报告。如果有强大的模拟/混合信号部分,客户会更加保守。他们希望看到更多的芯片。”
  越来越多细节中的魔鬼
  对于28nm及以下的节点,节点的微缩似乎没有尽头。目前的估计是在1.2到1.3nm之间,尽管确切的数字可能会根据环绕闸极FET vs finFET的类型而变化,例如,引入光刻选项,如定向自组装和high-NA EUV来扩展器件微缩比例,以及在计量、蚀刻和沉积方面的进步。
  Fraunhofer公司工程自适应系统部门设计方法负责人Roland Jancke表示:“7nm技术正在开发中,5nm和4nm已经公布。为了提高这种技术的性能,集成器件是极度优化的。因此,在技术节点中出现了大量的独立器件类型,例如I/O器件、核心器件、上拉和下拉器件、以及器件的几个阈值电压版本。这种趋势极大地增加了技术特性、资格和模型开发的工作量,这需要在每次工艺变更后重复进行。”
  此外,这些器件对诸如温度和噪音等物理因素越来越敏感。阈值电压在不同温度下响应不同,并且灵敏度随着每个节点缩小而增加。其结果是需要比过去更详细的描述。
  Rambus公司的首席科学家Craig Hampel表示:“我们在高Vt段上做了调整,起初没能解决这个问题。所以,现在如果我们有高Vt,我们会提高特性描述的级别。在过去的几年里,随着节点迁移到16nm,我们的特性描述几乎增加了四倍。”
  在此之后,每个新节点的问题也会越来越严重。但是,增加的特性描述不再只是较低节点的问题。旧节点工艺也有许多变体,而且还有更多涉及安全性和可靠性的使用案例,即使在较旧节点上也需要更多特性描述。
  Fraunhofer公司的Jancke表示:“对于低至110nm以内的混合信号技术节点,在给定节点中存在着巨大的多样性。对于超低功耗、高功率、高电压、RF和光学应用、MEMS器件等等,通常有单独的技术版本。另一方面,设计师倾向于将SoC的几个部分集成到一个硅片裸片中,这导致了功率集成电路的BCD工艺等组合技术的兴趣和发展。”
  这也使得评估哪个IP最有效变得更困难,因为一个IP需要与其他IP协同工作。 所有这些都会影响上市时间,整体成本以及功率/性能。甚至更糟糕的是,如果可用选项较少,则可能会限制器件的功能。
  ClioSoft公司的Adhikary表示:“有很多问题需要用IP来解答。如果你想要更高的性能,从9nm节点获取IP并将其移动到5nm,那么这样做你能获得多少面积?为一个新节点开发IP可能需要三到四个月的时间。不过,你真的能在面积和性能上获得好处吗?如果你每年都要做多次流片,你使用的是什么版本的IP?如果其他人使用该IP,他们是否使用相同的PDK库?如果你正在将IP与其他IP集成,你确实需要确保你拥有相同版本的PDK。我们现在更关注PDK的版本和什么版本的库正在使用。你需要了解的细节越来越多。”
  从IP开发人员的角度来看,这也是有问题的。Synopsys公司的Nandra表示:“这种工作的差异显然会出现在更新的技术版本上。开发7nm或10nm IP比14nm或28nm需要更长的时间,而且这项工作通常是原来工作量的两到四倍。”
  结论
  所有这一切都因新节点、nodelet和节点命名约定而变得更加复杂。代工厂已经加大了提供更多数据的力度,而且IP供应商的特性描述要比过去更多,因为每个新节点和nodelet的容限变得更加紧密。
  Greenberg表示:“每个人都从28nm时代开始学习,虽然在节点的生命周期中总会有工艺方面的进步,但代工厂已经更好地为IP提供商提供了早期的指导,并指导了基本过程及其变体之间的差异。在某些情况下,这允许我们针对来自同一IP开发的节点及其nodelet或多个后缀工艺的混合信号IP进行开发。当代工厂能够提前将这些计划传达给我们时,它有助于我们提供更广泛的IP,并最终有助于降低成本。”
  但至少在可预见的将来,管理节点名称、数字和IP版本将变得更加困难。有太多的选择和潜在的交互作用,还有太多的定义不清或尚未定义的变动部分。

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