成熟制程節(jié)點依然是半導體行業(yè)的中流砥柱

逍遙設計自動化

引言在半導體技術快速發(fā)展的今天，很容易被最先進的制程節(jié)點所吸引。然而，成熟的制程節(jié)點在行業(yè)中持續(xù)發(fā)揮著關鍵作用，為各種應用和設備提供動力。本文探討了傳統(tǒng)節(jié)點的重要性、經濟影響以及在當今技術格局中的持久相關性。
: R$ A& l7 |- i8 P+ A制程節(jié)點的演變半導體制造技術自微米時代以來取得了長足進步。隨著進入納米級別，幾項重大變革塑造了行業(yè)發(fā)展：


% |$ z5 ^2 t+ [/ f% t3 n圖1：硅加工技術的演變，顯示了關鍵里程碑，如向更大晶圓的過渡、高k金屬柵極的引入、計算光刻技術、多重曝光、極紫外光刻（EUV）和環(huán)繞柵極（GAA）晶體管的應用[1]
) `! S& B) n) D$ `2 ~/ |" h1.在130納米和90納米節(jié)點之間，晶圓從200毫米轉變?yōu)?00毫米，提高了成本效率。2.大約在45納米節(jié)點，計算光刻技術變得必不可少，以確保清晰的特征印刷。3.引入了高k介電質和金屬柵極，防止柵極氧化層變得過薄。4.多重曝光技術，如雙重和四重曝光，在NAND閃存的30納米和數字邏輯的20納米節(jié)點變得必不可少。5.鰭式場效應晶體管（FinFET）首次在22納米節(jié)點采用，并在14納米節(jié)點成為主流。6.極紫外光刻技術（EUV）從7納米節(jié)點開始使用，并在5納米節(jié)點成為必需。
節(jié)點轉換的經濟學歷史上，每個新的制程節(jié)點都會帶來20-25%的每顆芯片制造成本降低。然而，這一趨勢在20納米節(jié)點左右開始發(fā)生變化。Synopsys的首席產品經理Andrew Appleby解釋說：“在鰭式場效應晶體管時代，每一代技術進步所需的特殊制程要求都增加了顯著的成本和復雜性�！�
結果是出現了一個新的經濟現實，即先進節(jié)點不再自動轉化為成本節(jié)約。這種轉變在行業(yè)中造成了一種分化：

高性能、高成本芯片：英特爾、三星和英偉達等公司繼續(xù)推動節(jié)點技術的發(fā)展，因為產品可以獲得高價格。

對成本敏感的應用：許多公司和產品由于經濟因素而停留在較舊的節(jié)點上。[/ol]
這種分化導致設計開始集中在某些節(jié)點上，特別是28納米左右，這代表了平面技術過渡到更昂貴的鰭式場效應晶體管設計之前的最后一代。
成熟節(jié)點的持久性先進節(jié)點具有吸引力，但成熟的制程技術由于以下原因繼續(xù)蓬勃發(fā)展：

成本效益：較舊的節(jié)點通常使用已完全折舊的設備，使芯片生產利潤很高。

足夠的性能：許多應用不需要先進節(jié)點的尖端性能。

模擬和混合信號兼容性：這些類型的線路在成熟節(jié)點上表現往往更好。

汽車和物聯網應用：許多這些設備由于成本考慮和電壓要求使用較舊的節(jié)點。[/ol]
- P! M. b' z4 M+ XTignis公司營銷副總裁David Park指出：“除了英特爾或內存制造商外，選擇任何集成器件制造商（IDM），許多仍在130納米及以上節(jié)點進行制造。某些部件根本不需要在更小的節(jié)點上制造�！�
最佳選擇不同的應用傾向于特定的節(jié)點：

電源管理集成電路（PMICs）：通常使用180納米或130納米節(jié)點，更先進的設計正在向90納米、55納米和40納米移動。

傳感器：通常在180納米和150納米節(jié)點上找到，而集成微控制器的智能傳感器正在向65納米或40納米移動。

物聯網設備：由于成本考慮，大多數仍停留在40納米和22納米節(jié)點。

模擬和混合信號芯片：55納米被認為是最佳選擇，純模擬設計停留在180納米和150納米。
Chiplet的作用Chiplet技術的出現正在影響節(jié)點選擇。理論上，Chiplet允許公司僅將先進節(jié)點用于真正需要的組件，而將其他部分保留在成熟節(jié)點上。然而，目前先進封裝解決方案的高成本意味著Chiplet對許多應用來說還不具有成本效益。
保持成熟節(jié)點的相關性晶圓廠正在積極努力延長成熟節(jié)點的壽命。例如，聯華電子（UMC）將22/28納米節(jié)點作為主要節(jié)點。其他晶圓廠正在實施改進，以吸引新的設計到較舊的制程，例如：

引入特定晶體管設備以提高性能或最小化漏電

實施制程縮小以改善成本和工具利用率

添加射頻功能或高壓能力，用于混合信號系統(tǒng)

納入汽車級認證
制程節(jié)點的未來隨著行業(yè)繼續(xù)發(fā)展，可能會看到一種"雪犁效應"，即設計積累在某些節(jié)點上，特別是28納米左右。12納米到2納米之間的節(jié)點可能會看到設計開始減少，因為采用成本障礙變得越來越顯著。
然而，這并不意味著成熟節(jié)點將變得過時。正如Synopsys的Appleby指出：“處于尖銳轉折點的技術，如平面節(jié)點的最后一代，保證了長壽命，因為對于許多不需要下一個節(jié)點的產品類別，提供了最佳功能集�！�
結論半導體行業(yè)將繼續(xù)推動先進節(jié)點的可能性邊界，但成熟制程技術的重要性不容忽視。這些傳統(tǒng)節(jié)點提供了成本效益、性能和多功能性的關鍵平衡，使其對廣泛的應用不可或缺。展望未來，半導體格局可能將繼續(xù)以多樣化的制程節(jié)點生態(tài)系統(tǒng)為特征，每個節(jié)點在我們日益互聯的世界中服務于特定的需求和應用。
參考來源B. Moyer, "Legacy Process Nodes Going Strong," Semiconductor Engineering, Jul. 23, 2024.
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