提到代工廠，我們最熟悉的莫過(guò)于臺(tái)積電，英特爾，三星或GlobalFoundries等大公司。許多人甚至可能從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)SkyWater，因?yàn)樗菐啄昵安艔?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/賽普拉斯/" target="_blank">賽普拉斯半導(dǎo)體公司中分離出來(lái)的。諸如前三大代工廠都在追逐先進(jìn)工藝，而SkyWater卻不緊不慢，至今其主要經(jīng)營(yíng)著一個(gè)相對(duì)較小的200毫米工廠，正從90nm制造工藝開(kāi)始啟動(dòng)業(yè)務(wù)。但它卻已經(jīng)開(kāi)始與谷歌組建伙伴關(guān)系、推進(jìn)半導(dǎo)體生產(chǎn)，且已經(jīng)獲得了美國(guó)國(guó)防部的訂單。今天就讓我們來(lái)了解下SkyWater這家美國(guó)獨(dú)資的純代工廠。

不追逐工藝的代工廠SkyWater

SkyWater工廠最初由位于明尼蘇達(dá)州的Control Data Corporation（CDC）在1980年代建立。CDC晶圓廠于1991年被賽普拉斯半導(dǎo)體公司收購(gòu)。在賽普拉斯時(shí)代，該工廠進(jìn)行了多次擴(kuò)建和升級(jí)，在2000年代末一直與摩爾定律保持同步，并以位于美國(guó)的生產(chǎn)設(shè)施與亞洲的晶圓廠競(jìng)爭(zhēng)而聞名。SkyWater于2017年從賽普拉斯（Cypress）拆分出來(lái)，得到了明尼蘇達(dá)州Oxbow Industries的私募股權(quán)支持。

2017年從賽普拉斯半導(dǎo)體公司中分離出來(lái)的SkyWater收購(gòu)了位于明尼蘇達(dá)州布盧明頓市的賽普拉斯公司（如今的英飛凌）的工廠，開(kāi)啟了Foundry業(yè)務(wù)之路。SkyWater是唯一一家美國(guó)國(guó)內(nèi)的純代工公司，因此它是美國(guó)國(guó)防部可信賴的代工計(jì)劃的一部分，以在美國(guó)境內(nèi)提供安全的供應(yīng)來(lái)源。其業(yè)務(wù)始于130nm，而今年開(kāi)始提供90nm服務(wù)。SkyWater目前使用90納米技術(shù)生產(chǎn)集成電路（IC或“芯片”）。

而IBM和英特爾早在2002年就開(kāi)始首次生產(chǎn)90 nm芯片，TSMC于2004年推出直徑300 mm的晶圓。但SkyWater仍在使用200毫米晶圓。此外，SkyWater還在研究將銅互連引入其芯片工藝，而IBM早在1997年左右推出了一些首批銅互聯(lián)工藝的PowerPC微處理器。

也許從工藝上來(lái)看，SkyWater并沒(méi)有那么亮眼，但是SkyWater與fab所做的事情，以及與他們合作的企業(yè)卻饒有興趣。Skywater正在為D-Wave的量子計(jì)算機(jī)制造量子比特，這個(gè)項(xiàng)目在它還是賽普拉斯公司的一部分時(shí)就開(kāi)始了。當(dāng)然這并不是一個(gè)大容量的產(chǎn)品，如果你有一個(gè)小型的專業(yè)工廠，你也可以獲得像D-Wave這樣的客戶。SkyWater還在為DNA測(cè)序機(jī)制造微流控芯片，這是研究SARS-CoV-2流行病學(xué)的科學(xué)家們的熱門商品。

SkyWater愿意嘗試各種試驗(yàn)。作為美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）電子復(fù)蘇計(jì)劃的一部分，該公司正在與麻省理工學(xué)院（MIT）的一個(gè)研究小組合作，在其生產(chǎn)線上制造碳納米管（CNT）晶體管。2018年DARPA的電子復(fù)興計(jì)劃中有一個(gè)項(xiàng)目脫穎而出，那就是通過(guò)密集和細(xì)粒度的單片3D集成實(shí)現(xiàn)計(jì)算系統(tǒng)的革命，它的目標(biāo)是使用單片3D集成將使用了數(shù)十年之久的制造工藝的芯片，與使用當(dāng)今尖端技術(shù)（如7nm）制造的芯片競(jìng)爭(zhēng)。該項(xiàng)目基于允許將碳納米管晶體管和電阻式RAM存儲(chǔ)器構(gòu)建在普通CMOS邏輯芯片之上的技術(shù)。

要想生產(chǎn)這項(xiàng)技術(shù)SkyWater是唯一的選擇，一方面DARPA熱衷于將這項(xiàng)技術(shù)保留在美國(guó)；更重要的是，并不是每個(gè)工廠都愿意使用非標(biāo)準(zhǔn)材料，例如碳納米管，如果處理不當(dāng)，可能會(huì)污染其他客戶的產(chǎn)品。

2020年8月18日，SkyWater 宣布與美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）合作的DARPA三維單片系統(tǒng)芯片（3D SoC）計(jì)劃已進(jìn)入第二階段。在完成該計(jì)劃的初始階段后，第二階段的重點(diǎn)是將基于碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CNFET）的3D SoC技術(shù)轉(zhuǎn)移到SkyWater的200 mm生產(chǎn)設(shè)施中，第二階段的重點(diǎn)是改善制造質(zhì)量，產(chǎn)量，性能和密度。3DSoC計(jì)劃旨在改變數(shù)十年來(lái)一直作為標(biāo)準(zhǔn)的成本/性能基準(zhǔn)。預(yù)計(jì)這一新范例將在自動(dòng)駕駛汽車，醫(yī)療/保健診斷，邊緣計(jì)算，可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的用例中加速AI和高級(jí)計(jì)算。

麻省理工學(xué)院和SkyWater整合代工的工作最近發(fā)表在《自然電子》上，論證了在與制造硅基晶體管相同的商業(yè)設(shè)施中，在200毫米晶圓上批量生產(chǎn)CNT所采用的方法。將CNT從實(shí)驗(yàn)室?guī)У焦S車間的這一重要步驟為更節(jié)能的3D微處理器鋪平了道路。值得注意的是，該技術(shù)能夠?qū)⒒贑NT的邏輯和RRAM的可堆疊層進(jìn)行單片集成，以實(shí)現(xiàn)高密度，高帶寬SoC架構(gòu)，并且全部采用低溫制造技術(shù)。

SkyWater的首席技術(shù)官Brad Ferguson博士說(shuō)：“我們很高興能與麻省理工學(xué)院一起繼續(xù)這一旅程，以實(shí)現(xiàn)碳納米管技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的獨(dú)特承諾，這將對(duì)整個(gè)商業(yè)和國(guó)防工業(yè)中的人工智能和前沿計(jì)算應(yīng)用產(chǎn)生突破性影響?！?/p>

“邁出這一巨大的步伐并在代工環(huán)境中達(dá)到里程碑，使這種飛躍進(jìn)入生產(chǎn)真的很令人興奮。這標(biāo)志著業(yè)界需要時(shí)間將碳納米管作為比硅基晶體管更加節(jié)能的替代品，并為這種突破性技術(shù)準(zhǔn)備產(chǎn)品路線圖?！甭槭±砉W(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Dr. Max Shulake說(shuō)。

對(duì)于新技術(shù)的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，在商業(yè)生產(chǎn)線上證明自己的可行性一直是至關(guān)重要的，而在美國(guó)，愿意這樣做的半導(dǎo)體工廠已經(jīng)所剩無(wú)幾，而Skywater卻可以在幫助推進(jìn)新技術(shù)方面發(fā)揮重要作用。對(duì)于美國(guó)的學(xué)術(shù)和研究實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，獲得這種實(shí)驗(yàn)的生產(chǎn)設(shè)備至關(guān)重要。

已故的保羅·格雷，受人愛(ài)戴的麻省理工學(xué)院前校長(zhǎng)曾說(shuō)過(guò)，他最大的遺憾之一就是沒(méi)有在關(guān)鍵時(shí)刻為學(xué)院投資一個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備廠，讓學(xué)院的科學(xué)家有機(jī)會(huì)進(jìn)行研究和工藝創(chuàng)新。

2020年6月，GlobalFoundries和SkyWater與美國(guó)政府達(dá)成了一項(xiàng)協(xié)議，為美國(guó)的國(guó)防基礎(chǔ)設(shè)施提供半導(dǎo)體。兩家晶圓代工廠將合作設(shè)計(jì)和制造微電子產(chǎn)品，以增強(qiáng)國(guó)防部門的技術(shù)領(lǐng)先地位和國(guó)內(nèi)芯片供應(yīng)。

2020年11月12日，Google與SkyWater和Efabless合作，實(shí)現(xiàn)定制ASIC的開(kāi)源制造。Google贊助的開(kāi)源多項(xiàng)目晶圓（MPW）將接受設(shè)計(jì)提交，這些MPW將在SkyWater上運(yùn)行。首個(gè)晶圓代工廠支持的開(kāi)源工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）支持130 nm混合信號(hào)CMOS技術(shù)（SKY130工藝），從而啟用了MPW計(jì)劃。該計(jì)劃將為定制的專用集成電路（ASIC）提供完整的開(kāi)源制造供應(yīng)鏈，并且在FOSSi（自由和開(kāi)源硅）基金會(huì)進(jìn)行的一系列演講中進(jìn)行了討論，包括Google和Efabless的演講。

SkyWater堅(jiān)持使用成熟的技術(shù)，避免了尖端工藝的大量投資。如今，使用65納米或90納米技術(shù)制造的芯片數(shù)量驚人，尤其是用于電話和無(wú)線設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及汽車應(yīng)用的無(wú)線電芯片。由于這是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，制造設(shè)備可能會(huì)完全貶值，因此從成本的角度來(lái)看，該工藝是相當(dāng)有吸引力的。再者，臺(tái)積電的的先進(jìn)7nm、5nm業(yè)務(wù)也僅占銷售額的近一半，剩下一半的銷售額還是由其他工藝貢獻(xiàn)。

此外如模擬半導(dǎo)體、功率半導(dǎo)體等都不需要微縮化，甚至如果把7nm工藝應(yīng)用到某些產(chǎn)品中，反而會(huì)降低其功能。但是，就半導(dǎo)體而言，還是微縮化程度越高，性能越好，因此還是要發(fā)展微縮化。

不追逐工藝是不可能的

2019年，美國(guó)國(guó)防部向SkyWater提供高達(dá)1.7億美元的資金，以幫助其擴(kuò)張，這主要是因?yàn)檐姺较Ｍ岣咻椛浼庸绦酒纳a(chǎn)，這就是所謂的rad-hard。它們用于惡劣的工作環(huán)境中，例如在外太空中，輻射會(huì)使普通芯片失效。這也是自1995年以來(lái)該公司的第一次物理擴(kuò)展。

有了新的潔凈室，SkyWater將首次能夠制造使用銅互連的芯片，這種材料對(duì)于尺寸更小，電路更多的芯片更有用。目前SkyWater正在使用銅升級(jí)，以方便在一個(gè)封裝中堆疊多個(gè)芯片。這是一種增加單個(gè)芯片封裝中電路數(shù)量的廉價(jià)方法，它使用的是不太先進(jìn)的硅工藝。有了新的潔凈室和銅互連技術(shù)，SkyWater最終將能夠制造65納米或更小尺寸的芯片。這項(xiàng)工藝臺(tái)積電是在2005年左右開(kāi)始提供。

今年11月25日，Multibeam宣布與SkyWater建立合作伙伴關(guān)系，將其Multicolumn電子束光刻（MEBL）系統(tǒng)部署到SkyWater擴(kuò)展后的制造工廠中，以支持其45納米制造能力的路線圖。

MEBL系統(tǒng)定于2021年推出，將能夠在45 nm及更高波長(zhǎng)下進(jìn)行全晶圓，全掩模的圖案形成。它是由美國(guó)國(guó)防部（DoD）授予的一項(xiàng)3800萬(wàn)美元的合同資助的，該項(xiàng)目由空軍研究實(shí)驗(yàn)室管理。

這項(xiàng)“安全光刻”技術(shù)旨在對(duì)45nm及更大節(jié)點(diǎn)上的整個(gè)晶圓進(jìn)行圖案化，而無(wú)需使用用于線后（BEOL）的任何掩模，旨在用于“小批量，高混合量”芯片通常是為國(guó)防部生產(chǎn)的。光刻設(shè)備的領(lǐng)導(dǎo)者往往對(duì)少量，種類繁多的芯片沒(méi)有興趣，因?yàn)樗麄兊臉I(yè)務(wù)面向大批量生產(chǎn)。

市場(chǎng)對(duì)具有“成熟”節(jié)點(diǎn)的早期芯片的需求仍在繼續(xù)，但盡管此類節(jié)點(diǎn)的掩碼較便宜，但與掩碼相關(guān)的成本往往很高。需求較低的掩模通常會(huì)有較長(zhǎng)的交貨期，這將對(duì)生產(chǎn)中的晶圓廠生產(chǎn)率以及新芯片開(kāi)發(fā)中的學(xué)習(xí)周期產(chǎn)生負(fù)面影響。

IoT芯片生產(chǎn)面臨著類似的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ切⌒?，?jiǎn)單的SoC，可以執(zhí)行特定任務(wù)并且在Internet上無(wú)處不在?？傮w而言，物聯(lián)網(wǎng)芯片制造商是大批量生產(chǎn)商，但由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用多樣且物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)分散，它們的批量規(guī)模相對(duì)較小。

“在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，MEBL減少了原型制作的成本和時(shí)間，因?yàn)椤匦略O(shè)計(jì)’不再需要新的掩模，” Multibeam董事長(zhǎng)David Lam解釋說(shuō)?！坝捎谖覀兊腗EBL系統(tǒng)中的所有電子束色譜柱都是獨(dú)立且并行編寫(xiě)的，因此它們能夠生產(chǎn)比典型光學(xué)視場(chǎng)還大的多項(xiàng)目晶圓和芯片。我們通用的MEBL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的吞吐能力顯著超越了單透鏡電子束方法可支持批量生產(chǎn)?！?/p>

結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是美國(guó)吸引臺(tái)積電去美建廠，還是大力支持SkyWater的擴(kuò)建發(fā)展，都體現(xiàn)了美國(guó)對(duì)代工廠的看重。半導(dǎo)體工廠極具前景，是可以長(zhǎng)期發(fā)展的業(yè)務(wù)類型。如今，SkyWater正按照自己的步伐穩(wěn)步前進(jìn)中。

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