光罩太贵，联发科将暂停7nm芯片研发
2017-09-12
07:12:47
来源: 钜亨网
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市场传出，为降低成本，联发科明年新芯片高阶制程开发计画有所变动，将暂缓7纳米制程进度，最高阶只到12纳米，并以16纳米为主。联发科明年主力芯片订价是否能优于对手高通，仍有待密切观察。
为什么联发科在7nm那么慎重
先进工艺制程成本的变化是一个有些争议的问题。成本问题是一个复杂的问题，有许多因素会影响半导体制程成本。本文将讨论关于半导体制程的种种因素以及预期。
上图显示了不同工艺节点用到的技术，据此不同的工艺节点用到的掩膜层数如下图所示：
从20nm节点开始，为了使用传统光刻技术实现更小的特征尺寸，半导体制程引入了多重pattern技术。光刻机在28nm的时候只需要一次的光刻曝光就可以实现了。
在先进工艺设计成本可谓是一飞冲天。这就导致了在先进工艺下，芯片出货量需要非常大才能抵消NRE成本。如今，越来越少的设计可以满足如此大的出货量，因此很多设计出于经济上的考量不再使用最先进的工艺。
联发科一向不对产品进度与客户事宜评论。据悉，联发科明年第1 季将推2 款P 系列新芯片，代号为P40 与P60，采12 纳米制程生产。就明年全年开案进度而言，联发科新芯片都将集中在中低阶芯片，高阶芯片及采先进制程生产的产品，进度反而暂缓，其中，7 纳米至目前为止都没有任何新开案进度。
业界传出，联发科为节省先进制程高昂的光罩费用，明年新芯片都将以16 纳米为主要投产制程，借此降低成本，挤出更多潜在获利，也符合共同执行长蔡力行过去习换降低成本减少研发支出的作风。
据了解，联发科内部定调，明年先进制程芯片，最高只用到台积电12 纳米制程，同时联发科将持续分散晶圆代工来源，将部分芯片持续转交联电生产，以寻求较好的利润空间。
业界解读，这是蔡力行上任后，在樽节成本上的明显作为，虽然蔡力行未大刀阔斧樽节人力成本支出，但在研发与新芯片开发进度上，明显开始缩手。蔡力行先前股东会后也曾说过，不具优势的产品就会减少投资，专注在有获利空间的产品上，从到目前为止，联发科未有任何7 纳米制程产品就可窥知此策略方向。
联发科日前发表P23 与P30 芯片，预计第4 季出货，2 颗芯片都采用16 纳米制程生产，由于台积电代工价格仍比三星高，导致联发科订价空间遭劲敌高通挤压。不过，相较之下，联发科采16 纳米制程生产芯片，良率较高，对整体获利仍可望带来助益。
至于明年第1 季上市的P40 与P70 芯片，联发科都将采用12 纳米生产，目标是要争取OPPO R 系列新机订单，抢攻明年中阶市场。据悉， P40 芯片定价将落在15 至16 美元，对应到高通S640 芯片。市场人士指出，若明年P40 与P70 芯片销售缴出佳绩，联发科12 纳米生产的比重才会显著增加。
为什么联发科在7nm那么慎重
先进工艺制程成本的变化是一个有些争议的问题。成本问题是一个复杂的问题，有许多因素会影响半导体制程成本。本文将讨论关于半导体制程的种种因素以及预期。
影响半导体工艺制程成本的第一个因素是晶圆成本。
毫无疑问，晶圆成本在不断上升。制程的金属层数随着工艺的演进不断上升，在130nm时典型的制程有六层金属，而到了5nm节点则预期至少会有14层金属。
从90nm节点开始开始引入应力技术以继续增强晶体管的性能，这也会增加制程的成本。从45nm到28nm节点，半导体制程引入了high－k栅技术以增强性能。
另一个变化是晶体管阈值电压数目的变化。在130nm节点，晶体管只有两种阈值（常规阈值RVT管与低阈值LVT管），而到了16nm之后，有了多达五种阈值（超高阈值UHVT，高阈值HVT，常规阈值RVT，低阈值LVT与超低阈值ULVT）。这是因为，从40nm到16/14nm FinFET，短沟道效应越来越明显，为了控制漏电流必须引入多种阈值的器件。显然，这也会增加掩膜成本。
在先进半导体制程中，还会引入新的技术，如在16/14nm节点引入的FinFET技术，在5nm引入的堆叠横向纳米线（stacked horizontal nanowire ）技术。
上图显示了不同工艺节点用到的技术，据此不同的工艺节点用到的掩膜层数如下图所示：
从20nm节点开始，为了使用传统光刻技术实现更小的特征尺寸，半导体制程引入了多重pattern技术。光刻机在28nm的时候只需要一次的光刻曝光就可以实现了。
但到了22nm/20nm，单次曝光有时候就不能给临界层提供足够的分辨率。芯片制造商就通过多重pattern的方式解决问题。这也就是增加了一个简单的两步流程。这当中的主要的挑战就是刻这些细线图案。
为了达到目标，芯片制造商只好使用双重pattern技术。在这个步骤里会需要两次光刻和刻蚀步骤去确定一个单层。使用这种双重pattern技术，可以减小30%的pitch，而三重pattern则需要三次曝光，也就是需要三次刻蚀步骤。
除此之外，业界在10nm和7nm还会碰到其他问题。在45nm和40nm的时候，设计的时候需要用到40层光罩，而到了14nm和10nm，光罩的需求量则上升到60层。“如果没有EUV，只是靠沉浸式去实现三倍甚至四倍pattern，那么我们认为在7nm的时候，光罩数量会上升到80到85层之间”。三星的晶圆制造资深主管Kelvin Low表示。
光罩层数的增加，也就代表着成本的水涨船高。同时覆盖物也将会成为Fab的灾难。覆盖物需要把光罩层有秩序的精确地放置在彼此的身上。而随着mask的增加，覆盖层也就会成为噩梦。如果没对齐，覆盖层问题就够你喝一壶了。
另外，现在做一层光罩需要1到1.5天，在7nm的时候使用多重pattern，那就需要差不多五个月的时间才能做好晶圆。这就意味着如果继续使用多重pattern，会导致晶圆成本高到无法接受。
除了多重pattern之外，另一种新的光刻技术是EUV。然而，EUV的掩膜制造也十分困难。EUV掩膜在很多方面与传统193nm光刻的掩膜不一样。因为它有很大的改变，对于每个产品的特性或者功能，在供应链中会产生很大影响，其中包括光刻胶、掩膜及中间掩膜，也涉及制造设备，如采用电子束写入设备以及软件。
在5纳米时，掩膜的写入时间是最大的挑战。因为今天的单电子束写入设备在做复杂图形时的出货不够快，费时太久。从己经出炉的报告来看，由于技术原因，设备的研发用了比预期长得多的时间。事实上，任何突破性的创新技术从研发到成功，再达到量产水平，都是如此。
另外，即使使用EUV，多重pattern也是必须的。只有在真正的关键层才需要采用EUV，而其他层仍然用多重pattern。可以说，在未来这样的混合模式光刻是趋势。
而且，当EUV延伸至7纳米以下时，作为一种提高光刻机放大倍率的方法，需要大数值孔径的镜头（NA），为此ASML已经开发了一种变形镜头。它的两轴EUV镜头在扫描模式下能支持8倍放大，而在其他模式下也有4倍，因此NA要达0.5至0.6。
由此带来的问题是EUV光刻机的吞吐量矛盾，它的曝光硅片仅为全场尺寸的一半，与今天EUV光刻机能进行全场尺寸的曝光不一样。最新 EUV 机器的价格超过 1 亿欧元，是现有常规 193nm 光刻机价格的二倍多。
特征尺寸缩小最大的动力就是大规模ASIC中数字门尺寸缩小，从而在相同的芯片面积上可以放下更多的性能更好的标准单元。最终ASIC的成本应当同时考虑晶圆的成本以及门单元的密度。
数字门单元的尺寸在横向上决定于多晶硅以及多晶硅通孔的间距，而在纵向上则等于金属间最小间距乘以track数目。Track数越小，门尺寸越小，但是布线也越困难。
晶圆成本，数字门密度与数字门成本如下图左所示。在130nm到65nm之间，晶圆成本上升的速度较慢，此后在40nm到20nm之间，晶圆成本上升由于加入了更多阈值电压的晶体管而加快上升。在20nm之后，晶圆成本上升速度再次加快，这次是因为多重pattern。
数字门密度如下图中所示，密度以指数趋势上升，该趋势与摩尔定律相符。单位数字门成本如下图右所示，可见从130nm到20nm节点之间单位门成本下降较快，但是20nm之后单位门成本下降速度减缓。
目前芯片设计都有严格的功耗指标。随着门单元密度随指数上升，单位面积的功率密度也随指数上升，但是芯片散热能力上升却没这么快。为了解决散热问题，在芯片上出现了Dark Silicon，即芯片上部分晶体管在大多数时候是不上电的，仅仅在用到的时候才会启动。
这些Dark Silicon面积包括各类加速器，举例来说手机SoC里面的视频编解码模块的电源在不播放视频的时候是关掉的。这些Dark Silicon在大部分时间是不起作用的，从另一个角度说Dark Silicon也增加了芯片的成本。
在先进工艺设计成本可谓是一飞冲天。这就导致了在先进工艺下，芯片出货量需要非常大才能抵消NRE成本。如今，越来越少的设计可以满足如此大的出货量，因此很多设计出于经济上的考量不再使用最先进的工艺。
尽管先进工艺的晶圆成本不断攀升，门单元的成本却能够保持下降。然而，过高的设计成本却成了一个问题，只有出货量非常大的芯片才有机会使用最新工艺
竞争对手7nm板上钉钉，高端市场无法竞争？
在联发科做出这个决定的时候，其竞争对手则在如火如荼推进7nm新旗舰打造。
高通的下一代骁龙处理器是许多关心手机的厂商瞩目的焦点，也接连陆续有一些爆料以及想像。只是，最新的一则消息来源则有点让人意外，爆料者来自于高通自家，只是出处却是来自于苹果与高通的专利战之上，有人发现高通提供的其中一则文件，披露了高通下一代旗舰级处理器骁龙845的存在。
随着高通向美国国际贸易委员会（ITC）提起诉，要求禁止苹果iPhone 输美，高通在提出的一份文件中，所列出的相关专利的芯片组，也让明年高阶款旗舰处理器Snapdragon 845曝光。
根据目前的消息，高通下一代旗舰骁龙845会采用台积电的7nm工艺制程，不过也不排除它会继续采用三星的技术。架构上，骁龙845将继续沿用自主的8核心设计，4核A75+4核A55，GPU则会升级到Andreno 630。
至于华为，同样也披露了7nm的计划。
有网友在微博上爆料称，麒麟980处理器已经流片，虽然目前还没有更多的信息，但有消息称，可能采用7nm工艺和A75构架，至于供应链人士提到的图形处理有惊喜，则可能与传说中的华为自研GPU有关。
值得一提的是，消息人士还强调，首发麒麟980处理器的机型应该是P20，至于为什么不是P11，或许这是华为早就计划好的，之前他们已经申请了华为P20的注册商标。
不再满目追击领先，对联发科来说，也许是一件好事。
责任编辑：星野
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