成熟制程節(jié)點(diǎn)依然是半導(dǎo)體行業(yè)的中流砥柱

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言在半導(dǎo)體技術(shù)快速發(fā)展的今天，很容易被最先進(jìn)的制程節(jié)點(diǎn)所吸引。然而，成熟的制程節(jié)點(diǎn)在行業(yè)中持續(xù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為各種應(yīng)用和設(shè)備提供動(dòng)力。本文探討了傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的重要性、經(jīng)濟(jì)影響以及在當(dāng)今技術(shù)格局中的持久相關(guān)性。
( S& C& H; B* ?# Y% e0 c4 c制程節(jié)點(diǎn)的演變半導(dǎo)體制造技術(shù)自微米時(shí)代以來取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。隨著進(jìn)入納米級(jí)別，幾項(xiàng)重大變革塑造了行業(yè)發(fā)展：


圖1：硅加工技術(shù)的演變，顯示了關(guān)鍵里程碑，如向更大晶圓的過渡、高k金屬柵極的引入、計(jì)算光刻技術(shù)、多重曝光、極紫外光刻（EUV）和環(huán)繞柵極（GAA）晶體管的應(yīng)用[1]
  B1 n3 J" e7 z1.在130納米和90納米節(jié)點(diǎn)之間，晶圓從200毫米轉(zhuǎn)變?yōu)?00毫米，提高了成本效率。2.大約在45納米節(jié)點(diǎn)，計(jì)算光刻技術(shù)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(zhì)和金屬柵極，防止柵極氧化層變得過薄。4.多重曝光技術(shù)，如雙重和四重曝光，在NAND閃存的30納米和數(shù)字邏輯的20納米節(jié)點(diǎn)變得必不可少。5.鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）首次在22納米節(jié)點(diǎn)采用，并在14納米節(jié)點(diǎn)成為主流。6.極紫外光刻技術(shù)（EUV）從7納米節(jié)點(diǎn)開始使用，并在5納米節(jié)點(diǎn)成為必需。
) Q* y2 G* f4 x: G節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)學(xué)歷史上，每個(gè)新的制程節(jié)點(diǎn)都會(huì)帶來20-25%的每顆芯片制造成本降低。然而，這一趨勢(shì)在20納米節(jié)點(diǎn)左右開始發(fā)生變化。Synopsys的首席產(chǎn)品經(jīng)理Andrew Appleby解釋說：“在鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)代，每一代技術(shù)進(jìn)步所需的特殊制程要求都增加了顯著的成本和復(fù)雜性�！�
0 f2 h" R+ o3 k9 b4 v0 N結(jié)果是出現(xiàn)了一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)，即先進(jìn)節(jié)點(diǎn)不再自動(dòng)轉(zhuǎn)化為成本節(jié)約。這種轉(zhuǎn)變?cè)谛袠I(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(dá)等公司繼續(xù)推動(dòng)節(jié)點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)楫a(chǎn)品可以獲得高價(jià)格。

對(duì)成本敏感的應(yīng)用：許多公司和產(chǎn)品由于經(jīng)濟(jì)因素而停留在較舊的節(jié)點(diǎn)上。[/ol]
0 t0 G% k) P& J( w$ F% K' \這種分化導(dǎo)致設(shè)計(jì)開始集中在某些節(jié)點(diǎn)上，特別是28納米左右，這代表了平面技術(shù)過渡到更昂貴的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)計(jì)之前的最后一代。
成熟節(jié)點(diǎn)的持久性先進(jìn)節(jié)點(diǎn)具有吸引力，但成熟的制程技術(shù)由于以下原因繼續(xù)蓬勃發(fā)展：

成本效益：較舊的節(jié)點(diǎn)通常使用已完全折舊的設(shè)備，使芯片生產(chǎn)利潤(rùn)很高。

足夠的性能：許多應(yīng)用不需要先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的尖端性能。

模擬和混合信號(hào)兼容性：這些類型的線路在成熟節(jié)點(diǎn)上表現(xiàn)往往更好。

汽車和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：許多這些設(shè)備由于成本考慮和電壓要求使用較舊的節(jié)點(diǎn)。[/ol]
Tignis公司營(yíng)銷副總裁David Park指出：“除了英特爾或內(nèi)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(diǎn)進(jìn)行制造。某些部件根本不需要在更小的節(jié)點(diǎn)上制造�！�
8 T# X, L# r- h. k- C* V最佳選擇不同的應(yīng)用傾向于特定的節(jié)點(diǎn)：

電源管理集成電路（PMICs）：通常使用180納米或130納米節(jié)點(diǎn)，更先進(jìn)的設(shè)計(jì)正在向90納米、55納米和40納米移動(dòng)。

傳感器：通常在180納米和150納米節(jié)點(diǎn)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(dòng)。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備：由于成本考慮，大多數(shù)仍停留在40納米和22納米節(jié)點(diǎn)。

模擬和混合信號(hào)芯片：55納米被認(rèn)為是最佳選擇，純模擬設(shè)計(jì)停留在180納米和150納米。
7 r& G/ n  A" @" @& q5 pChiplet的作用Chiplet技術(shù)的出現(xiàn)正在影響節(jié)點(diǎn)選擇。理論上，Chiplet允許公司僅將先進(jìn)節(jié)點(diǎn)用于真正需要的組件，而將其他部分保留在成熟節(jié)點(diǎn)上。然而，目前先進(jìn)封裝解決方案的高成本意味著Chiplet對(duì)許多應(yīng)用來說還不具有成本效益。
保持成熟節(jié)點(diǎn)的相關(guān)性晶圓廠正在積極努力延長(zhǎng)成熟節(jié)點(diǎn)的壽命。例如，聯(lián)華電子（UMC）將22/28納米節(jié)點(diǎn)作為主要節(jié)點(diǎn)。其他晶圓廠正在實(shí)施改進(jìn)，以吸引新的設(shè)計(jì)到較舊的制程，例如：

引入特定晶體管設(shè)備以提高性能或最小化漏電

實(shí)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(hào)系統(tǒng)

納入汽車級(jí)認(rèn)證
制程節(jié)點(diǎn)的未來隨著行業(yè)繼續(xù)發(fā)展，可能會(huì)看到一種"雪犁效應(yīng)"，即設(shè)計(jì)積累在某些節(jié)點(diǎn)上，特別是28納米左右。12納米到2納米之間的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)看到設(shè)計(jì)開始減少，因?yàn)椴捎贸杀菊系K變得越來越顯著。
然而，這并不意味著成熟節(jié)點(diǎn)將變得過時(shí)。正如Synopsys的Appleby指出：“處于尖銳轉(zhuǎn)折點(diǎn)的技術(shù)，如平面節(jié)點(diǎn)的最后一代，保證了長(zhǎng)壽命，因?yàn)閷?duì)于許多不需要下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品類別，提供了最佳功能集�！�
5 l9 V8 l) k) k  E# n- W結(jié)論半導(dǎo)體行業(yè)將繼續(xù)推動(dòng)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的可能性邊界，但成熟制程技術(shù)的重要性不容忽視。這些傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)提供了成本效益、性能和多功能性的關(guān)鍵平衡，使其對(duì)廣泛的應(yīng)用不可或缺。展望未來，半導(dǎo)體格局可能將繼續(xù)以多樣化的制程節(jié)點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)為特征，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在我們?nèi)找婊ヂ?lián)的世界中服務(wù)于特定的需求和應(yīng)用。
參考來源B. Moyer, "Legacy Process Nodes Going Strong," Semiconductor Engineering, Jul. 23, 2024.

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