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(shù)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(guān)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(jīng)濟影響以及在當今技術(shù)格局中的持久相關(guān)性。
  v& T8 r5 o, X9 i/ n' k制程節(jié)點的演變半導體制造技術(shù)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：
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3 Q) n+ c( g! g  Y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）晶體管的應用[1]
1.在130納米和90納米節(jié)點之間，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，計算光刻技術(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(shù)（EUV）從7納米節(jié)點開始使用，并在5納米節(jié)點成為必需。
! f7 \- D8 o/ h1 [# o節(jié)點轉(zhuǎn)換的經(jīng)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(chǎn)品經(jīng)理Andrew Appleby解釋說：“在鰭式場效應晶體管時代，每一代技術(shù)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(jié)果是出現(xiàn)了一個新的經(jīng)濟現(xiàn)實，即先進節(jié)點不再自動轉(zhuǎn)化為成本節(jié)約。這種轉(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展，因為產(chǎn)品可以獲得高價格。

對成本敏感的應用：許多公司和產(chǎn)品由于經(jīng)濟因素而停留在較舊的節(jié)點上。[/ol]
) E# P7 @4 l+ w# ^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(shù)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(shù)由于以下原因繼續(xù)蓬勃發(fā)展：

成本效益：較舊的節(jié)點通常使用已完全折舊的設備，使芯片生產(chǎn)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(xiàn)往往更好。

汽車和物聯(lián)網(wǎng)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]
8 t) M* J) S4 k4 kTignis公司營銷副總裁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(lián)網(wǎng)設備：由于成本考慮，大多數(shù)仍停留在40納米和22納米節(jié)點。

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(shù)的出現(xiàn)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。
8 E( i8 n4 z6 O+ ~0 Y8 R4 C保持成熟節(jié)點的相關(guān)性晶圓廠正在積極努力延長成熟節(jié)點的壽命。例如，聯(lián)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(zhuǎn)折點的技術(shù)，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(chǎn)品類別，提供了最佳功能集�！�
結(jié)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(shù)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(guān)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?nèi)找婊ヂ?lián)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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