電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）隨著不少半導(dǎo)體公司紛紛公布財(cái)報(bào)，大家對(duì)去年尤其是第四季度的成績(jī)都有所失望，唱衰整個(gè)產(chǎn)業(yè)的聲音也常常傳出。盡管如此，從ASML在去年投資者日上公布的預(yù)測(cè)來(lái)看，半導(dǎo)體終端市場(chǎng)從2022年到2030年，依然將實(shí)現(xiàn)9%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。只不過(guò)目前的預(yù)測(cè)下，沒(méi)有給這一增長(zhǎng)率拖后腿的，只有服務(wù)器、汽車以及工業(yè)電子市場(chǎng)，其中服務(wù)器市場(chǎng)更是有希望在2026年反超智能手機(jī)市場(chǎng)。

然而支撐起這一市場(chǎng)繼續(xù)增長(zhǎng)，并貢獻(xiàn)主要運(yùn)算能力的邏輯工藝演進(jìn)，已經(jīng)處于了一個(gè)放緩的狀態(tài)，光刻系統(tǒng)的能耗性能已經(jīng)上去了，晶體管的能耗性能也上去了，但晶體管密度、時(shí)鐘頻率的增長(zhǎng)都已經(jīng)逐漸趨于平緩。為了讓邏輯工藝再次突破，業(yè)界也想出了不少辦法。

系統(tǒng)設(shè)備的進(jìn)化

每代邏輯工藝的提升，最關(guān)鍵的還是硬件基礎(chǔ)，從90年代的i線***、到后來(lái)的KrF、ArF，以及現(xiàn)在逐漸成為主流的EUV***。***對(duì)于邏輯工藝的發(fā)展無(wú)疑是巨大的，而緊跟最新邏輯工藝的晶圓廠也為***公司貢獻(xiàn)了2/3以上的銷售額。

EUV，尤其是高NA EUV，已經(jīng)被公認(rèn)為我們實(shí)現(xiàn)下一輪邏輯工藝突破的最大驅(qū)動(dòng)力。盡管這些***的價(jià)格已經(jīng)突破天際，但晶圓廠仍在不停地下單，這是因?yàn)榍捌诰薮笸度氲亩掏矗瑫?huì)慢慢帶來(lái)成本、良率和周期上的長(zhǎng)期收益。當(dāng)然了，越來(lái)越小的PP與MP間距與更高的數(shù)值孔徑，在滿載利用率下固然能帶來(lái)更低的工序成本，但目前的問(wèn)題還是在光刻膠等配套材料上。

盡管研發(fā)時(shí)間不算短，但ASML還是規(guī)劃好了到2032年的路線，2024年業(yè)界預(yù)計(jì)開(kāi)始進(jìn)入2nm時(shí)代，然后逐漸邁向A14、A10以及A7，屆時(shí)借助的自然也是ASML第四代、第五代的高NA EUV***。

器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

如果我們堅(jiān)持的仍是目前主流的FinFET結(jié)構(gòu)，那別說(shuō)挺進(jìn)埃米時(shí)代了，就連做到2nm都無(wú)疑是一件難事。因此，在GAA晶體管架構(gòu)進(jìn)行演進(jìn)就成了主流的研究方向，比如Nanosheet、Forksheet和CFET等。

Nanosheet作為GAA架構(gòu)的第一代，也是三星選擇在3nm上采用的技術(shù)，由于對(duì)納米片的垂直堆疊，最大化了晶體管單鰭標(biāo)準(zhǔn)單元的有效寬度，同時(shí)又因?yàn)镚AA的包圍結(jié)構(gòu)帶來(lái)了改善的短溝道控制。這一結(jié)構(gòu)可謂是同Track數(shù)量和同功耗下，在更先進(jìn)的工藝上進(jìn)一步提升頻率的優(yōu)秀思路。

而Forksheet由于在n型與p型晶體管之間加入了一個(gè)介電井減小了間距，從降低了米勒電容。這樣一來(lái)，在同樣的功耗下，前中后三段工藝加起來(lái)，相較Nanosheet能有10%的性能提升。

CFET則在堆疊上做到了極致，通過(guò)在單鰭上堆疊N&PMOS和NS溝道，再一次提高了有效寬度，而且這種垂直堆疊的方式不會(huì)因?yàn)镹P之間的距離帶來(lái)面積的增加。但這畢竟是GAA架構(gòu)下最先進(jìn)的技術(shù)，還存在著不少集成上的挑戰(zhàn)，離最終量產(chǎn)還比較久遠(yuǎn)。


最后則是用來(lái)分配時(shí)鐘和其他信號(hào)，同時(shí)也為多種器件供電的互聯(lián)方案。根據(jù)IMEC的判斷，從N5到N2的工藝節(jié)點(diǎn)內(nèi)，雙鑲嵌結(jié)構(gòu)依然會(huì)是主流，因?yàn)檫@是目前從成本來(lái)說(shuō)最有效的方案。但雙鑲嵌結(jié)構(gòu)并沒(méi)有針對(duì)RC做出更好的優(yōu)化，在用了低電阻TSV的方案后，最終還是得選擇新的方案，比如半鑲嵌結(jié)構(gòu)。

半鑲嵌結(jié)構(gòu)由于存在氣隙，可以更好地控制電容。所以IMEC預(yù)計(jì)在進(jìn)入埃米時(shí)代后，應(yīng)該都會(huì)選擇半鑲嵌的互聯(lián)集成方案，不過(guò)這類方案目前仍處于研發(fā)階段，而且在成本上也只能堪稱有一定競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)未來(lái)還是得繼續(xù)探索新的導(dǎo)電材料。

DTCO與STCO

從臺(tái)積電、三星和英特爾等晶圓廠的各種宣發(fā)中我們可以看出，DTCO（設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同優(yōu)化）對(duì)于工藝節(jié)點(diǎn)的性能增益是巨大的，比如臺(tái)積電就聲稱DTCO為5nm工藝帶來(lái)的提升高達(dá)40%。

在EDA廠商、晶圓廠和IC設(shè)計(jì)公司的攜手合作下，每個(gè)新工藝的出現(xiàn)都不再只有一個(gè)階段，除了良率的穩(wěn)步提升外，性能也還有繼續(xù)增長(zhǎng)的空間。與此同時(shí)，另一個(gè)概念，STCO（系統(tǒng)工藝協(xié)同優(yōu)化）的概念也在這幾年被拋出來(lái)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將多個(gè)芯片集成在單個(gè)封裝上。

從STCO這一定義也就不難看出，這與先進(jìn)的2.5D/3D封裝和Chiplet設(shè)計(jì)脫不了干系。西門子EDA也給出了應(yīng)用STCO帶來(lái)的諸多優(yōu)勢(shì)，比如芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以并行開(kāi)發(fā)SoC上的不同部門，設(shè)計(jì)者也能為每個(gè)區(qū)域的設(shè)計(jì)選擇最優(yōu)的工藝方案。除此之外，也可以擴(kuò)展機(jī)械應(yīng)力、固晶等一系列物理效應(yīng)的早期分析，及早避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致較長(zhǎng)的重新設(shè)計(jì)時(shí)間。