需要權衡的因素不僅僅是工藝擴展；領(lǐng)導力可能因時(shí)而異，也可能因應用而異。
晶圓制造領(lǐng)導力爭奪戰變得越來(lái)越復雜復雜，很難確定哪家公司在任何時(shí)候處于領(lǐng)先地位，因為需要權衡的因素太多了。這在很大程度上反映了處于領(lǐng)先地位的客戶(hù)群的變化，以及對特定領(lǐng)域設計的推動(dòng)。過(guò)去，蘋(píng)果、谷歌、亞馬遜和Meta等公司購買(mǎi)了最快的商用處理器。但在過(guò)去的五年里，這些系統公司一直在雇傭半導體硬件和軟件工程師團隊，為特定數據類(lèi)型定制架構，以便通過(guò)擴展大大超過(guò)可用的性能和功率。
這并沒(méi)有阻止臺積電、三星和英特爾繼續縮減功能，他們的路線(xiàn)圖也延伸到了1.x納米范圍。但這改變了他們競爭的方式。領(lǐng)導力不再僅僅是流程幾何結構。下一代技術(shù)現在包括從新型晶體管、互連材料和結構到功率傳輸方案的所有方面。在某些情況下，可能需要靈活性，無(wú)論是硬件或軟件的可編程性，還是在大容量應用中創(chuàng )建衍生設計的更簡(jiǎn)單方法。在其他情況下，這可能是一個(gè)掩模版大小的芯片上可以容納多少晶體管的問(wèn)題。盡管成本上升、功率和性能優(yōu)勢降低，但流程擴展仍然很重要。然而，并不是每個(gè)應用程序都需要它，它只是決定市場(chǎng)領(lǐng)先地位的越來(lái)越多的因素之一。事實(shí)上，選擇哪家公司在任何時(shí)候都處于領(lǐng)先地位可能需要一個(gè)產(chǎn)品的電子表格，而不僅僅是一個(gè)制造過(guò)程。對于一個(gè)客戶(hù)來(lái)說(shuō)重要的是什么，或者對于該客戶(hù)的特定設計，可能與對于另一個(gè)客戶(hù)而言重要的是不同的。臺積電業(yè)務(wù)發(fā)展高級副總裁張凱文表示：“有很多問(wèn)題需要解決，比如如何在系統層面進(jìn)行設計，如何將所有東西進(jìn)行分區，并將它們整合在一起，但這些也代表著(zhù)一個(gè)機會(huì )。整個(gè)行業(yè)需要找到一種方法來(lái)做得更好。我們必須在未來(lái)重新思考系統設計，以及如何最好地劃分這些東西。在未來(lái)，你會(huì )看到系統級的方法變得越來(lái)越重要，而不是單個(gè)芯片級的方法。這從軟件和軟件架構一直到現在我可能會(huì )看到越來(lái)越多的重要參與者成為半導體客戶(hù)。
例如，在人工智能訓練應用中，目標是將盡可能多的計算元素（通常是同質(zhì)的）塞進(jìn)一塊硅上。相比之下，在智能手機中，圖像處理等功能需要更多的邏輯，但并非所有功能都需要封裝在同一芯片上。在AR/VR眼鏡等應用中，熱限制和性能要求非?？量?，且因使用情況而異，以至于公司正在試驗各種不同的架構，從平面芯片到具有復雜熱管理的3D-IC架構。簡(jiǎn)單地說(shuō)，一刀切不再適合所有人，這正在從根本上改變晶圓制造行業(yè)的動(dòng)態(tài)。UMC和格芯退出了14nm的規模競爭（盡管GF后來(lái)已轉向12nm），轉而專(zhuān)注于汽車(chē)和5G等多種專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)。從那時(shí)起，兩家公司都在滿(mǎn)負荷運行，并計劃增加更多，他們正在EDA和制造設備公司的幫助下擴展在成熟節點(diǎn)上可以完成的工作。格芯技術(shù)和研究高級副總裁Gregg Bartlett表示：“設備供應商非常投入，應用材料創(chuàng )建了ICAPS（物聯(lián)網(wǎng)、通信、汽車(chē)、電力和傳感器）該業(yè)務(wù)部門(mén)致力于非個(gè)位數納米相關(guān)技術(shù)，無(wú)論是寬帶隙材料還是與CMOS圖像傳感器相關(guān)的復合半成品或加工能力。他們在離子注入機中需要極低的金屬含量。高級邏輯不在乎這一點(diǎn)。因此，摩爾定律縮放所需的工具功能沒(méi)有下降，它們已經(jīng)成為新的需求。對于其他四分之三的市場(chǎng)需求，有一個(gè)完整的路線(xiàn)圖?！?/span>即使在最前沿的節點(diǎn)，流程也變得非常不同，很難進(jìn)行比較。其中一些取決于終端市場(chǎng)。三星和臺積電（TSMC）繼續在消費電子產(chǎn)品和個(gè)人電腦領(lǐng)域展開(kāi)角逐。與此同時(shí)，英特爾（Intel）繼續將重點(diǎn)放在服務(wù)器芯片上，經(jīng)常與臺積電競爭，但它也越來(lái)越多地開(kāi)發(fā)用于軍用/航空應用的先進(jìn)節點(diǎn)芯片。所有這些產(chǎn)品都進(jìn)入了其他市場(chǎng)，隨著(zhù)客戶(hù)要求更多定制解決方案，這些市場(chǎng)繼續分裂。因此，每個(gè)晶圓廠(chǎng)都在向其核心市場(chǎng)進(jìn)軍，同時(shí)在預算和機會(huì )允許的情況下向其他市場(chǎng)擴張。三星正在將所有FET的柵極設置為3nm，而臺積電和英特爾則計劃堅持使用3nm的finFET，轉而使用2nm的GAA FET。所有這些公司都在這些節點(diǎn)上開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的流程，以及大量的半節點(diǎn)。
這在很大程度上反映了無(wú)晶圓廠(chǎng)公司的巨大需求，這些公司希望用最小的效率實(shí)現性能最大化。在這個(gè)世界上，需要在一個(gè)系統或多個(gè)系統的背景下考慮成本。冷卻更少的服務(wù)器機架可以在更少的空間、更快的速度下完成更多的處理，這使得在最先進(jìn)的節點(diǎn)上從頭開(kāi)始設計芯片更容易接受。對于那些為預定義架構購買(mǎi)芯片的公司來(lái)說(shuō)，情況完全不同。因此，谷歌的服務(wù)器處理架構看起來(lái)與特斯拉截然不同。雖然每一個(gè)都可能包含5nm或3nm邏輯，但它們是針對不同的數據類(lèi)型、不同的內存和I/O配置以及數據處理方式和位置、需要保留多少以及存儲位置的不同優(yōu)先級而定制的。
在這種情況下，工藝技術(shù)和晶體管類(lèi)型仍然很重要，但它們不一定是決定芯片運行速度更快或功耗更低的因素。事實(shí)上，先用下一代晶體管技術(shù)到達最先進(jìn)的節點(diǎn)不再是一個(gè)必勝的公式。因此，盡管歷史上人們一直從密度的角度來(lái)看待工藝領(lǐng)先地位，但越來(lái)越多的是，這只是先進(jìn)封裝中越來(lái)越異構的芯片或小芯片集合中的一個(gè)組件。僅僅因為芯片使用3nm工藝，并不能確保其在特定應用中以更低的功率運行得比5nm邏輯芯片更快，5nm邏輯電路芯片可能與神經(jīng)處理單元、CPU和GPU封裝在一起。此外，如果需要更新或算法發(fā)生變化，并且沒(méi)有內置的可編程性，那么隨著(zhù)時(shí)間的推移，它可能不會(huì )表現得很好。
這在不同晶圓廠(chǎng)的路線(xiàn)圖中很明顯。雖然有一些相似之處，但也有明顯的差異，這些差異可能會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而擴大。三星三星晶圓廠(chǎng)預計將在今年晚些時(shí)候或明年推出SF3E（3nm）工藝技術(shù)，該技術(shù)基于一種稱(chēng)為MBCFET的柵極全能晶體管，其速度將提高23%，功耗將降低45%。三星將率先推出GAA FET，它在最先進(jìn)的節點(diǎn)上比finFET更好地控制電流泄漏-基本上能夠完全關(guān)閉晶體管，而不是看著(zhù)電池在關(guān)閉時(shí)慢慢耗盡。該公司還將為移動(dòng)市場(chǎng)增加SF4E、4、4P。預計將于明年某個(gè)時(shí)候推出的4P，采用4nm工藝和新的中間線(xiàn)技術(shù)，性能將提高1.19倍。SF3和SF3P將于明年推出，SF2預計于2024年推出，SF1.4將于2026-2027年推出。此外，三星還將推出Cube S，一款基于混合硅中介層的2.5D版本，以及混合BGA和TCP BGA版本，以增強其封裝選擇。它的3D-IC X-Cube將于2024年推出，使用微型凸塊，兩年后將推出無(wú)凸塊版本，大概是使用混合鍵合或其他用于連接它們的高速低電阻材料。
圖：高速、低電阻率互連和更短的距離可以顯著(zhù)提高性能并降低功耗和熱量。資料來(lái)源：三星最先進(jìn)的節點(diǎn)最大的問(wèn)題之一是散熱。GAA FET將在一定程度上有所幫助，但芯片利用率的提高和更高的動(dòng)態(tài)功率密度可以在垂直結構之間捕獲熱量。一般來(lái)說(shuō)，有兩種方法可以解決這個(gè)問(wèn)題。其中一個(gè)涉及物理冷卻，使用散熱器或某種形式的熱轉移到液體中，或在內部使用微流體。第二是降低各個(gè)部件的閾值電壓。三星電子負責產(chǎn)品規劃的副總裁金英東表示：“如果你能用較低的閾值電壓來(lái)降低功耗，你就能降低限制性能的功耗?！?/span>一個(gè)相關(guān)的挑戰是，存儲器需要最小的電壓才能正常工作，因此需要提高和降低電壓才能使其正常工作。三星擁有自己的內存——DRAM（包括HBM）、NAND、SRAM、STT-MRAM——所以它有能力在內部進(jìn)行實(shí)驗。它甚至開(kāi)發(fā)了內存計算能力。這一點(diǎn)很重要，因為降低電壓會(huì )增加對各種類(lèi)型噪聲的敏感性，在構建高級芯片時(shí)需要考慮所有這些因素。三星負責存儲器銷(xiāo)售的執行副總裁吉姆·埃利奧特表示，通過(guò)在DRAM中使用finFET，功率可以縮小到0.9伏以下。三星還正在開(kāi)發(fā)各種橋接技術(shù)，包括嵌入式橋接和它所稱(chēng)的“RDL插入器”。2025年，該公司還希望增加背面供電，這將有助于緩解芯片內部的擁塞。這種方法之所以吸引人，是因為在3D晶體管結構極其密集的海洋中減少了擁塞，以及在重新分配層上做得更多，這在過(guò)去很大程度上被視為機械基礎。三星可能會(huì )在其各種產(chǎn)品線(xiàn)中使用其內部開(kāi)發(fā)的許多芯片，這些產(chǎn)品線(xiàn)現在包括汽車(chē)、移動(dòng)/消費者、物聯(lián)網(wǎng)和HPC/AI。三星執行副總表示：“這是一個(gè)晶圓制造整體設計平臺?！?/span>
三星工藝路線(xiàn)圖臺積電盡管GAA FET減少了泄漏，但臺積電認為N3有足夠的好處，可以將該技術(shù)的引入推遲到N2。N3將在與N5相同的功率下提供18%的性能提升，或在相同的性能下降低34%的功率。在N2下，當引入納米片時(shí)，性能將提高約10%至15%，或功率降低25%至30%。納米片的后續技術(shù)，一種互補的FET，這是所有三家主要晶圓廠(chǎng)都可能采取的路徑。目前尚不清楚的是，這將在何時(shí)發(fā)生，或者是否會(huì )有imec開(kāi)發(fā)的一種臨時(shí)技術(shù)，稱(chēng)為叉片FET。臺積電一直在試驗新型材料和晶體管，包括碳納米管FET，其縮放密度將比其他晶體管類(lèi)型高1.5倍至2倍。新型低電阻材料可以將電阻降低40%，這將顯著(zhù)提高性能，減少驅動(dòng)信號所需的功率，并顯著(zhù)降低熱量。隨著(zhù)互連性能的提高，電阻率降低有可能進(jìn)一步擴展。在封裝方面，臺積電已經(jīng)通過(guò)其集成扇出（InFO）技術(shù)進(jìn)行了大批量生產(chǎn)，并且正在與客戶(hù)合作開(kāi)發(fā)基于其晶片上襯底（CoWoS）技術(shù)的3D IC，該技術(shù)使用微凸塊以及有機和硅中介層。該公司還開(kāi)發(fā)了一種高密度硅橋，并正在開(kāi)發(fā)一種稱(chēng)為集成芯片系統（SoIC）的前端線(xiàn)封裝技術(shù)，該技術(shù)利用水平和垂直空間將小芯片嵌入芯片中。
臺積電工藝路線(xiàn)圖英特爾和臺積電一樣，英特爾將把finFET再推一個(gè)節點(diǎn)，計劃在2024年換成2nm的納米片，也就是它所說(shuō)的20A（20埃等于2nm）。英特爾的GAA FET被稱(chēng)為RibbonFET。該公司還計劃在2025年將其稱(chēng)為PowerVia的背側供電增加到18A。雖然英特爾計劃在先進(jìn)的工藝節點(diǎn)上實(shí)現對等或領(lǐng)先，但值得注意的是，該公司對小芯片的投入及其開(kāi)發(fā)小芯片的經(jīng)驗，以及使用其嵌入式多芯片互連橋（EMIB）技術(shù)將它們連接在一起的經(jīng)驗。該公司還創(chuàng )建了名為Foveros的芯片對芯片堆疊技術(shù)，這是EMIB的3D版本。英特爾本質(zhì)上已經(jīng)為客戶(hù)定制了一個(gè)設備機箱，能夠根據客戶(hù)需求更換不同的組件。2015年，英特爾收購Altera提供了所需的靈活性，以隨著(zhù)算法和協(xié)議的變化延長(cháng)這些異構解決方案的壽命。該公司今年早些時(shí)候決定收購Tower Semiconductor，這增加了一套可以捆綁到這些產(chǎn)品包中的專(zhuān)業(yè)和成熟節點(diǎn)功能。該公司在晶圓制造服務(wù)方面投入巨資，幫助客戶(hù)開(kāi)發(fā)定制解決方案。英特爾副總裁兼產(chǎn)品和設計生態(tài)系統支持總經(jīng)理拉胡爾·戈亞爾表示：“對于內部制造，我們真的在努力恢復工藝技術(shù)的領(lǐng)先地位，我們將在未來(lái)四年內實(shí)現多個(gè)節點(diǎn)，第二是外部制造。我們是一家產(chǎn)品公司，所以我們將利用任何對產(chǎn)品線(xiàn)和產(chǎn)品制造來(lái)說(shuō)都是最佳的產(chǎn)品。所以作為一家外部晶圓廠(chǎng)，我們將做到這一點(diǎn)。我們也在領(lǐng)先優(yōu)勢上做了更多的工作。我們也正在從頭開(kāi)始建造我們的晶圓廠(chǎng)。上一代是Intel Custom foundry我們被稱(chēng)為英特爾晶圓服務(wù)，因為我們是一家服務(wù)企業(yè)?！?/span>英特爾還通過(guò)《芯片法案》（CHIPS Act）獲得了美國政府的一些幫助，該法案使其能夠在俄亥俄州等地建立晶圓廠(chǎng)和受過(guò)教育的員工隊伍，并已與美國軍事、航空航天和政府聯(lián)盟（USMAG）達成協(xié)議，以使芯片設計和生產(chǎn)能夠采用最先進(jìn)的工藝技術(shù)。英特爾是三巨頭中唯一一家總部位于美國的領(lǐng)先晶圓廠(chǎng)，它將受益于地緣政治沖突和政府投資。
英特爾工藝路線(xiàn)圖可靠性盡管所有這些都是非常昂貴的先進(jìn)制造和封裝技術(shù)，但對可靠性的擔憂(yōu)仍在上升。它現在依賴(lài)于一個(gè)變量的電子表格，從可能產(chǎn)生無(wú)聲數據錯誤的制造缺陷到熱熱點(diǎn)。imec的Beyne說(shuō)：“過(guò)去，人們認為熱量會(huì )從這些高溫地區擴散到低溫地區，這樣你的芯片上的能量就會(huì )均勻分布，然后你就可以從外部均勻地冷卻它，不幸的是，如果你等到熱量擴散，溫度已經(jīng)太高了。所以你必須增加冷卻，隨著(zhù)冷卻的增加，你會(huì )定位這些熱點(diǎn)。而相鄰的硅對你沒(méi)有任何幫助。它必須垂直。因此你必須采用更直接的冷卻解決方案?！?/span>制造工藝現在是巨大的材料科學(xué)挑戰。一些材料需要溶解或熔化，而其他材料需要保持完整，所有這些都需要在同一工藝步驟中進(jìn)行，以確保晶圓廠(chǎng)中有足夠的產(chǎn)量。布魯爾科學(xué)公司首席開(kāi)發(fā)官金·阿諾德表示：“這已經(jīng)足夠大了，我們必須創(chuàng )建與清潔和缺陷測試相關(guān)的新項目，這些材料需要能夠承受400°C及更高的高溫穩定性。一旦你讓它經(jīng)受住類(lèi)似的東西，或是嚴酷的化學(xué)物質(zhì)，其中一些甚至更難以合理的方式去除。這催生了我們幾年前從未真正預料到的其他項目活動(dòng)?！?/span>總結從這個(gè)角度來(lái)看，過(guò)去是一個(gè)相當簡(jiǎn)單的指標-誰(shuí)可以最快地遷移到下一個(gè)流程節點(diǎn)-現在變成了一組復雜且大得多的指標，這些指標在不同的應用程序之間可能有很大的差異。在某些情況下，這可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，即哪家晶圓廠(chǎng)在任何時(shí)間點(diǎn)都有足夠的產(chǎn)能來(lái)達到市場(chǎng)窗口，而在其他情況下，它可能涉及一系列復雜的任務(wù)和材料組合，這是沒(méi)有先例的。僅僅因為一家晶圓廠(chǎng)引入了3nm或2nm工藝，并不意味著(zhù)它與另一家相同。雖然擴展仍然很重要，但它可能只適用于高級封裝中包含的一個(gè)或多個(gè)小型邏輯芯片，其中真正的優(yōu)勢是集成所有不同部件所需的專(zhuān)業(yè)知識，或者封裝本身的設計。哪家晶圓廠(chǎng)可以為特定的應用或用例構建最佳的分類(lèi)SoC，現在很難確定何時(shí)單個(gè)部件沒(méi)有排成一行，但所有的頂行框都被選中了。性能和電源正在成為依賴(lài)于應用程序的屬性，有時(shí)被狹義地定義為單個(gè)客戶(hù)的特定配置。
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