FinFET引爆投資熱　半導體業(yè)啟動(dòng)新一輪競賽

　　半導體業(yè)界已發(fā)展出運用FinFET的半導體制造技術(shù)，對制程流程、設備、電子設計自動(dòng)化、IP與設計方法產(chǎn)生極大變化。特別是IDM業(yè)者與晶圓代工廠(chǎng)正競相加碼研發(fā)以FinFET生產(chǎn)應用處理器的技術(shù)，促使市場(chǎng)競爭態(tài)勢急速升溫。

　　過(guò)去數10年來(lái)，互補式金屬氧化物半導體(CMOS)平面電晶體一直是電子產(chǎn)品的主要建構材料，電晶體幾何結構則一代比一代小，因此能開(kāi)發(fā)出高效能且更便宜的半導體晶片。

　　然而，電晶體在空間上的線(xiàn)性微縮已達極限，電晶體縮小到20奈米(nm)以下，會(huì )降低通道閘極控制效果，造成汲極(Drain)到源極(Source)的漏電流增加，并引發(fā)不必要的短通道效應(Short Channel Effect)，而電晶體也會(huì )進(jìn)入不當關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)而增加電子裝置待機耗電量。所幸立體式的鰭式電晶體(FinFET)技術(shù)出現后發(fā)揮作用，在FinFET結構中，由于通道被三層閘極包覆，可更有效壓制關(guān)閉狀態(tài)漏電流。

　　三層閘極還能讓裝置在「開(kāi)機狀態(tài)」下增強電流，又稱(chēng)為驅動(dòng)電流(Drive Current)。這些優(yōu)點(diǎn)能轉換為更低的耗電與更高的裝置效能。3D FinFET裝置預料將比傳統使用2D平面電晶體的產(chǎn)品更為精實(shí)，如此一來(lái)晶粒的整體尺寸也會(huì )更小。整體而言，FinFET技術(shù)能減少晶片漏電流、提高效能并縮小晶粒尺寸，將成為未來(lái)10年最重要的半導體制造技術(shù)，帶動(dòng)系統單晶片(SoC)產(chǎn)業(yè)成長(cháng)。

　　FinFET點(diǎn)燃晶圓代工廠(chǎng)戰火

　　綜觀(guān)全球市場(chǎng)，英特爾(Intel)是唯一完成FinFET制程技術(shù)實(shí)作的制造商。該公司自2012年初即采用自有的第一代22奈米FinFET技術(shù)，生產(chǎn)Ivy Bridge中央處理器(CPU)。雖然目前英特爾以FinFET技術(shù)生產(chǎn)的SoC僅限于PC和其特有的伺服器應用產(chǎn)品，然而其已宣布將延伸至行動(dòng)裝置應用處理器的開(kāi)發(fā)。英特爾更可望依循摩爾定律(Moore’s Law)，于2013年第四季前將FinFET生產(chǎn)移轉至第二代14奈米制程。

　　未來(lái)幾年內，愈來(lái)愈多頂尖IC設計業(yè)者將擴大投資并導入FinFET技術(shù)，以制造更先進(jìn)的智慧型手機和平板應用處理器(圖1)。為因應客戶(hù)需求，臺積電、格羅方德(GLOBALFOUNDRIES)與三星(Samsung)等主要晶圓代工廠(chǎng)已積極排定FinFET量產(chǎn)時(shí)程，最快可望于2013年第三季開(kāi)始試產(chǎn)FinFET制程，準備好投入量產(chǎn)則將在2014年第三季以后，如圖2為英特爾與晶圓代工業(yè)者的FinFET制程生產(chǎn)時(shí)間表預測;屆時(shí)，IC設計業(yè)者與晶圓代工廠(chǎng)合作下，將推出以FinFET技術(shù)為基礎的應用處理器，與IDM業(yè)者共同角逐市場(chǎng)商機。

　　圖1 2007～2017年半導體委外服務(wù)產(chǎn)值預測　　資料來(lái)源：Gartner

　　圖2 各大晶圓廠(chǎng)FinFET量產(chǎn)時(shí)程表　資料來(lái)源：Gartner(05/2013)

　　在FinFET制程技術(shù)方面，多數晶圓代工廠(chǎng)選擇在晶圓前段閘極制程(FEOL)采用14奈米FinFET技術(shù)，后段互連制程(BEOL)則仍使用20奈米。就某種程度而言，混合式的第一代14奈米FinFET制程，其實(shí)就是20奈米電晶體技術(shù)，再加上能持續提升效能與耗電效率的新型裝置結構。

　　此種混搭制作方法或許不能在設計上縮小晶粒尺寸，但效能提高、減少電力消耗與縮短上市所需時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，足以讓許多一線(xiàn)IC設計業(yè)者決定采用FinFET技術(shù)。此外，臺積電與格羅方德最近皆宣布，有意在14奈米FinFET技術(shù)上線(xiàn)2年后推動(dòng)10奈米制程。

　　檢視各家晶圓廠(chǎng)FinFET量產(chǎn)時(shí)間表，以及用來(lái)指涉16、14及10奈米制程的相關(guān)名稱(chēng)，因其系出于行銷(xiāo)需求，所以不具重大意義。一般咸認，晶圓代工廠(chǎng)的第一代16/14奈米FinFET制程會(huì )較近似英特爾的22奈米制程，而晶圓代工廠(chǎng)10奈米的第二代FinFET制程，則比較接近英特爾14奈米的第二代FinFET技術(shù)。

　　復雜架構掀波瀾　FinFET引發(fā)產(chǎn)業(yè)連鎖反應

　　比較不同廠(chǎng)商的FinFET技術(shù)時(shí)，須考慮下列因素，首先是安謀國際(ARM)核心的晶片尺寸、靜態(tài)隨機存取記憶體(SRAM)的晶粒大小(Cell Size)、設計規則、單元資料庫內軌道的數量、速度及電力消耗。

　　無(wú)論頂尖IC設計業(yè)者采用何種FinFET技術(shù)制造行動(dòng)應用處理器，都會(huì )在晶片效能與耗能方面有所進(jìn)展，因為平面技術(shù)幾乎已達到極限，而且，一旦某家大型IC設計公司決定采用某種先進(jìn)技術(shù)，便可能會(huì )帶動(dòng)連鎖反應，促使其他同業(yè)加緊導入同款制程技術(shù)。

　　舉例來(lái)說(shuō)，高通(Qualcomm)決定采用28奈米多晶矽氮氧化矽(SiON)技術(shù)時(shí)，其他IC設計公司也一窩蜂跟進(jìn)，讓28奈米低耗能制程變成極受歡迎的技術(shù)節點(diǎn)。

　　不過(guò)，目前市場(chǎng)上尚無(wú)IC設計業(yè)者正式宣布將以FinFET技術(shù)生產(chǎn)應用處理器的計劃，但相關(guān)研發(fā)作業(yè)正密切進(jìn)行中，預估1年內就會(huì )有大廠(chǎng)根據FinFET技術(shù)推出新款行動(dòng)應用處理器。以下幾家晶片大廠(chǎng)的技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展藍圖將顯著(zhù)影響其他IC設計業(yè)者。

　　英特爾日漸重視行動(dòng)處理器

　　2013年6月，英特爾根據新型微架構推出全新系列CPU，無(wú)論就時(shí)脈效能或低耗電而言均優(yōu)于現有的Ivy Bridge設計，這個(gè)名為Haswell的新系列晶片，將采用(至少一開(kāi)始會(huì ))與目前Ivy Bridge晶片相同的22奈米FinFET制程。

　　與此同時(shí)，英特爾正積極尋求方法，希望利用其制造技術(shù)優(yōu)勢搭上行動(dòng)產(chǎn)品成長(cháng)熱潮。確實(shí)，除Haswell外，英特爾尚推出代號為Silvermont的微架構，將用于采用22奈米FinFET制程的三款應用處理器，包括平板專(zhuān)用的Bay Trail、智慧手機專(zhuān)用的Merrifield，以及微伺服器(Microserver)專(zhuān)用的Avoton;第四款產(chǎn)品Rangeley則是為聯(lián)網(wǎng)裝置所設計。與32奈米方案相比，Silvermont能讓SoC的峰值效能提升三倍，且相同效能下可減少五倍耗能。

　　至于14奈米FinFET技術(shù)，英特爾的Broadwell與Cherry Trail可能成為次世代系統單晶片，將利用代號Airmont的架構，在同一個(gè)晶粒上結合CPU、GPU和微控制器(MCU)。這個(gè)新型微架構將是英特爾與安謀國際big.LITTLE架構一決高下的重要利器。 顯而易見(jiàn)，英特爾似乎在技術(shù)、設計與生產(chǎn)能力上略勝一籌，準備以自家晶片在行動(dòng)領(lǐng)域帶動(dòng)成長(cháng)。不過(guò)，英特爾新任執行長(cháng)在未來(lái)的經(jīng)營(yíng)上仍充滿(mǎn)挑戰，尤其是行動(dòng)裝置業(yè)務(wù)方面，為與高通、聯(lián)發(fā)科競爭，其須改變自身組織、降低生產(chǎn)成本、提高晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能利用率，還要部署更多的銷(xiāo)售與現場(chǎng)工程師，才能提高勝算。

　　蘋(píng)果成晶圓廠(chǎng)最具價(jià)值客戶(hù)之一

　　蘋(píng)果在過(guò)去幾乎將所有應用處理器(A4、A5、A5 R2、A6與A6X)交由三星旗下大型積體電路(LSI)事業(yè)的晶圓廠(chǎng)代工，利用45和32奈米制程生產(chǎn)。近期，該公司為Apple TV設計的新款處理器A5 R3，亦采用三星32奈米制程，而截至2013上半年為止，蘋(píng)果尚未針對32奈米以下制程，甚至是FinFET技術(shù)推出應用處理器。

　　盡管如此，近日盛傳，蘋(píng)果部分應用處理器生產(chǎn)訂單將轉向臺積電，且下一代A7晶片將以20奈米平面技術(shù)制造。亟欲推動(dòng)16奈米FinFET制程的臺積電，以及積極研發(fā)14奈米制程的三星，都將蘋(píng)果視為FinFET技術(shù)最有價(jià)值的客戶(hù)之一，毫無(wú)疑問(wèn)地，未來(lái)蘋(píng)果應用處理器可能很快就會(huì )投靠FinFET陣營(yíng)。

　　據顧能(Gartner)預估，2013年蘋(píng)果所有應用處理器將需要七十萬(wàn)片12寸晶圓，這樣的量需要一家以上的12寸晶圓廠(chǎng)才足以供應。蘋(píng)果決定與其他制造商合作，將對半導體制造業(yè)中晶圓廠(chǎng)競爭態(tài)勢帶來(lái)明顯沖擊。

　　事實(shí)上，蘋(píng)果有了與三星興訟的經(jīng)驗之后，最好選擇一家純做晶圓代工的合作夥伴，能大量供貨并為其量身訂作具特殊優(yōu)勢的FinFET制程，例如更嚴謹的設計規則或更好的電晶體規格。雖說(shuō)蘋(píng)果若有任何晶圓供應商的變動(dòng)都會(huì )進(jìn)行長(cháng)期規畫(huà)，但要在2?3年完全切斷三星供貨，并全然轉向其他晶圓代工廠(chǎng)還是太過(guò)冒險。

　　隨著(zhù)純晶圓代工業(yè)者技術(shù)制造持續提升，蘋(píng)果亦不須與英特爾合作，且毋須擔心英特爾制程技術(shù)較佳，因為英特爾在行動(dòng)晶片領(lǐng)域的實(shí)力仍待驗證。蘋(píng)果短期內的業(yè)務(wù)重點(diǎn)應放在如何提高i系列終端產(chǎn)品銷(xiāo)售量，一旦找到可靠的晶片供應商，其應用處理器的功能特色就比較不重要;這一點(diǎn)與高通大不相同，后者須提供特色更多的應用處理器，以應付不同的手機制造商客戶(hù)。

　　三星善用晶圓整合制造服務(wù)優(yōu)勢

　　三星Exynos Octa與Hexa這兩款應用處理器已采用28奈米平面技術(shù);未來(lái)Galaxy S5與Note 4還可能采用20奈米平面技術(shù)生產(chǎn)的晶片，足見(jiàn)其積極導入先進(jìn)制程節點(diǎn)的決心。不過(guò)，三星尚未傳出要以14奈米FinFET技術(shù)生產(chǎn)自家應用處理器，但其約25%的手機與平板使用自家處理器，每年銷(xiāo)售量成長(cháng)將近20%的頂級手機產(chǎn)品，更高達45%比重，因此三星勢必計劃在未來(lái)的應用處理器上采用自己的FinFET技術(shù)。

　　無(wú)庸置疑，垂直整合服務(wù)是三星在制造上的一大優(yōu)勢，從邏輯晶片到記憶體，一直到測試組裝、終端行動(dòng)裝置，還有網(wǎng)路基礎建設設備都能提供。三星還可利用旗下行動(dòng)裝置事業(yè)對晶圓代工產(chǎn)業(yè)的采購能力，這樣晶圓代工客戶(hù)就能為三星行動(dòng)產(chǎn)品供應晶片;此外，其電信部門(mén)亦提供基礎建設設備，可用來(lái)推廣自家晶片。由此可推估，蘋(píng)果之所以無(wú)法輕易切斷三星LSI供貨，原因之一就是臺積電與英特爾無(wú)法提供這種結合可靠記憶體晶片貨源的封裝測試支援。

　　在其他行動(dòng)裝置相關(guān)半導體產(chǎn)品方面，三星也在各領(lǐng)域握有極高的市占率，包括驅動(dòng)IC、CMOS影像感測器與電源管理IC。三星的晶圓代工廠(chǎng)很容易就能與目標顧客建立業(yè)務(wù)關(guān)系。

　　高通將驅動(dòng)FinFET規格統一

　　至于目前的行動(dòng)處理器一哥高通則將成為主導先進(jìn)制程導入的關(guān)鍵。目前，Snapdragon 200到800系列是高通最新推出的應用處理器，全部采用臺積電28奈米高效能行動(dòng)(HPM)制程技術(shù)，與前一代以28奈米低耗能制程生產(chǎn)的Snapdragon S4晶片相比，效能可望提升75%。下一階段，晶圓代工廠(chǎng)提供的20奈米平面技術(shù)由于制程范圍不足，因此僅有一般版本，無(wú)法提供高效能與低耗電等其他選項。

　　從縮短新款晶片上市所需時(shí)間的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，雖然高通持續移轉至20奈米節點(diǎn)的做法對產(chǎn)品效能提升有限，但高通將會(huì )成為采用晶圓代工廠(chǎng)20奈米平面技術(shù)的首批顧客之一。至于FinFET應該會(huì )成為一種長(cháng)期技術(shù)，未來(lái)產(chǎn)品都為以它為基礎進(jìn)行設計，而高通終將大量采用FinFET技術(shù)，以其在市場(chǎng)上的重要地位，對晶圓代工業(yè)者的技術(shù)研發(fā)具有極大影響力。

　　不像蘋(píng)果和三星生產(chǎn)晶片僅供內部使用，高通的晶片廣為蘋(píng)果、三星、諾基亞(Nokia)、BlackBerry、宏達電、樂(lè )金(LG)、中興及華為等業(yè)者所采用。高通晶片涵蓋各種應用，包括Snapdragon應用處理器、基頻處理器、收發(fā)器與無(wú)線(xiàn)連網(wǎng)Combo晶片，且已與主要晶圓代工廠(chǎng)建立良好的業(yè)務(wù)關(guān)系，帶來(lái)龐大的晶圓需求量，使其對晶圓廠(chǎng)極具影響力，通常愿意調整制程以迎合高通的需求。

　　正如前文所述，2012年即為高通帶動(dòng)整個(gè)業(yè)界采用28奈米低耗能技術(shù)，未來(lái)，Gartner也預測，高通將帶動(dòng)業(yè)界廣為采用FinFET技術(shù)，并促進(jìn)晶圓廠(chǎng)全面統一FinFET技術(shù)規格，以加速晶片量產(chǎn)并控制成本。

　　一線(xiàn)處理器廠(chǎng)加速導入FinFET

　　在高通率先發(fā)難后，其他IC設計業(yè)者勢將積極跟進(jìn)，如輝達(NVIDIA)、聯(lián)發(fā)科與展訊在非蘋(píng)平板、低價(jià)白牌手機或中國大陸的TD-SCDMA手機應用處理器市場(chǎng)中，占有率也相當高，自然不希望在技術(shù)上落后領(lǐng)先者太多。這幾家業(yè)者正積極導入28奈米制程，且因晶圓廠(chǎng)28奈米晶圓供貨狀況改善而受益，雖不急于采用FinFET技術(shù)，但就長(cháng)期規畫(huà)來(lái)說(shuō)，絕對有必要在內部建立起FinFET設計能力。

　　據Gartner在2013年第一季半導體產(chǎn)業(yè)展望報告中指出，由于行動(dòng)處理器導入先進(jìn)邏輯晶圓的需求攀升，行動(dòng)裝置相關(guān)半導體營(yíng)收已于2012年超過(guò)PC與筆電，預估未來(lái)半導體裝置需求主要來(lái)自行動(dòng)裝置與固態(tài)硬碟(SSD);智慧型手機將在未來(lái)幾年呈現兩位數成長(cháng)，平板的成長(cháng)還將更強勁。

　　晶圓制造商持續縮小平面電晶體幾何結構，節能效率與速度的提升幅度卻愈來(lái)愈小;20奈米平面電晶體技術(shù)預計最多可較28奈米減少25%之耗電，相較之下前一代移轉后卻能節省35%以上。然而，從28奈米平面技術(shù)移轉到14奈米FinFET卻能省下超過(guò)50%的耗電。FinFET技術(shù)未來(lái)應用在CPU與行動(dòng)應用處理器開(kāi)發(fā)上，應該會(huì )比20奈米平面技術(shù)更受歡迎。

　　量產(chǎn)難度高　FinFET觸發(fā)設計新商機

　　盡管業(yè)界一致看好FinFET帶來(lái)的效益，但要支援FinFET技術(shù)，無(wú)論在制程、設計、IP與電子設計自動(dòng)化(EDA)工具各方面都有眾多挑戰，且過(guò)去許多2D平面技術(shù)的經(jīng)驗不再適用于FinFET，這意謂著(zhù)相關(guān)供應鏈業(yè)者必須有新的投資計劃。

　　從晶圓制程的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，不論是晶圓前段制程或后段制程都須達到原子級的準確蝕刻(Etching)，且要提升臨界尺度(Critical Dimension)控制、減少矽材的蝕刻損傷、增加化學(xué)機械研磨(CMP)及雙重曝光(Double Patterning)微影技術(shù)。另一大挑戰是必須加入中段制程(MOL)模組，以處理3D電晶體高深寬比(High-aspect Ratio)的訊號繞線(xiàn)(Signal Routing)。

　　從設計面來(lái)看，其他挑戰還包括3D建模工具的需求、能處理FinFET的模擬方法、寄生電容與寄生電阻的處理、新的可制性設計(DFM)模型與規則、單一寬度電晶體的設計、電晶體種類(lèi)減少、電壓降低的處理，以及布局依賴(lài)(Layout-dependent)的設計，勢將帶動(dòng)新一波半導體產(chǎn)業(yè)投資研發(fā)動(dòng)能，做大市場(chǎng)大餅。

　　無(wú)庸置疑，FinFET技術(shù)將在未來(lái)10年帶動(dòng)半導體業(yè)成長(cháng)。由于智慧型手機與平板相關(guān)的半導體營(yíng)收已超過(guò)PC，FinFET技術(shù)對行動(dòng)產(chǎn)品也會(huì )日益重要。雖然FinFET會(huì )為晶圓制程技術(shù)與設計方法帶來(lái)極大變化，對晶圓廠(chǎng)、行動(dòng)應用處理器設計公司、特殊應用IC設計服務(wù)商、電子設計自動(dòng)化業(yè)者與IP供應商而言，移轉至FinFET技術(shù)的相關(guān)實(shí)作與支援都是未來(lái)帶動(dòng)營(yíng)收成長(cháng)的關(guān)鍵所在。

　　利用FinFET技術(shù)提高邏輯SoC效能的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，而FinFET低耗電的優(yōu)點(diǎn)，也促使主攻應用處理器的各大IC設計業(yè)者要求晶圓廠(chǎng)具備相關(guān)技術(shù)。為縮短與英特爾之間的技術(shù)差距，晶圓代工業(yè)者皆已加速研發(fā)FinFET技術(shù)，但路途仍滿(mǎn)布荊棘。IC設計公司應擬定策略以發(fā)展FinFET設計能力，同時(shí)留意晶圓代工業(yè)者投入FinFET技術(shù)的狀況，以及競爭對手在相關(guān)產(chǎn)品的規畫(huà)。