近日，聯(lián)發(fā)科發(fā)布重磅消息，這家長年在臺積電投片，并已成為后者第三大客戶的頭部IC設計廠商，宣布未來將在英特爾投片。
根據(jù)雙方協(xié)議，聯(lián)發(fā)科會在“Intel 16”制程工藝、約等同于臺積電22nm制程的產線投片，該公司財務長顧大為指出，未來可能會下單英特爾的產品，包括智能電視、Wi－Fi芯片，都是以成熟制程為主。對此，一名半導體產業(yè)分析師指出，雖然目前全球的22nm制程產能相對不缺貨，但從中期來看，可能因為部分新增產能未能如期量產，而出現(xiàn)缺貨狀況。
此次，除了聯(lián)發(fā)科采用英特爾晶圓代工服務吸睛之外，22nm制程工藝再一次登上了行業(yè)新聞頭條。
22nm是繼28nm半節(jié)點之后的全節(jié)點制程工藝。談到22nm制程，要追溯到2008年，當時，業(yè)界首次出現(xiàn)了采用該制程工藝的RAM存儲器，但彼時還未實現(xiàn)量產。到了2012 年，英特爾公司推出了第一款采用22nm制程工藝的消費級CPU——Ivy Bridge。
22nm制程的出現(xiàn)和普及，滿足了市場上相當多IC設計廠商的實際需求。28nm之后，許多廠商希望轉移到更高級節(jié)點，但過高的成本和風險，使得很多IC設計廠商對16nm／14nm望而卻步。Gartner的數(shù)據(jù)顯示，28nm制程芯片的平均設計成本為3000萬美元，16nm／14nm約為8000萬美元，而設計一個7nm芯片要花費2．71億美元。這樣，許多廠商停留在了28nm及以上的成熟制程，資金更充足的可能會轉移到16nm／14nm及更先進制程節(jié)點。
還有一些廠商想要獲得性能提升，但無法承受16nm／14nm的價格，此時，22nm脫穎而出。不過，相對而言，與28nm、16nm／14nm相比，22nm制程的市場規(guī)模還是小的。
群雄逐鹿22nm
由于22nm制程非常適用于汽車、物聯(lián)網(wǎng)和無線通信等應用，近些年，英特爾、GlobalFoundries、臺積電等廠商都在開發(fā)22nm制程工藝。不過，不同廠商研發(fā)的22nm工藝各不相同，大致可分為三種版本：以臺積電為代表的平面型（planar，相對于3D的FinFET而言）CMOS工藝；GlobalFoundries 的平面FD－SOI工藝；以英特爾為代表的低功耗22nm FinFET工藝。
英特爾開拓22nm FinFET
雖說22nm比32nm的集成度提高了，但工藝成本也明顯增加了。英特爾的策略與眾多廠商明顯不同，該公司進行了變革，不走傳統(tǒng)的平面型工藝路線，而是采用3D架構，也就是tri－gate路線。不同于臺積電和三星，英特爾在22nm節(jié)點就采用了FinFET工藝了，而前兩者是在16nm／14nm節(jié)點才采用FinFET架構的。
此次，聯(lián)發(fā)科選擇與英特爾的代工業(yè)務合作，并且采用其“Intel 16”制程工藝，也是一種嘗試，，即采用該公司的FinFET工藝生產電視SoC和Wi－Fi芯片，會有與臺積電平面型22nm工藝不同的性能表現(xiàn)，很可能會優(yōu)于后者，且英特爾的代工業(yè)務處于發(fā)展期，價格會比較實惠，這對于聯(lián)發(fā)科而言是個不錯的選擇。不過，實際情況如何，還要等到量產后才能見分曉。
平面型22nm制程有望迎來新機遇
平面型22nm制程的代表企業(yè)是臺積電。相比于FinFET工藝版本的22nm 制程，平面型的難度較低，研發(fā)成本和時間也會少很多。
臺積電的22nm超低功耗（22ULP）技術基于該公司28nm技術開發(fā)，并于2018年第四季度完成了所有工藝認證。與28nm高性能（28HPC）工藝相比，22ULP可使芯片面積減少10％，可使芯片性能提升30％，或功耗降低30％。此外，臺積電還于2018年第四季度完成了22nm超低泄漏（22ULL）技術的開發(fā)，該工藝可以實現(xiàn)更低的功耗，主要用于物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設備芯片制造。
然而，在臺積電的各種制程工藝中，22nm的占比不大，這在該公司2020和2021年的財報中有體現(xiàn)，如下圖所示。
可以看出，臺積電22nm（圖中為20nm，是基于22nm的升級版本）制程的營收占比幾乎可以忽略不計了。
不過，最近兩年的市場行情，對于22nm制程比較友好，未來產能需求增加預期正在提升，例如，翱捷科技表示，該公司的主要晶圓代工伙伴是臺積電，2022上半年，臺積電22nm制程產能仍然呈現(xiàn)緊張狀態(tài)，翱捷科技一直在積極與臺積電進行溝通，希望能獲得與市場需求相匹配的產能支持。在這樣的背景下，臺積電也在擴充相應產能，該公司正在日本新建的、計劃于2024年投入運營的晶圓廠，就是提供22nm／28nm制程產能的。
除了臺積電，中國臺灣另一家晶圓代工大廠也基于其28nm開發(fā)出了22nm工藝，與28nm HKMG工藝相比，該廠商22nm增益達10％，功率／性能比更好，射頻性能增強。另外，該廠商開發(fā)出了22nm超集結技術，在同一平臺上有ULP和ULL選項，該技術可支持1．0V～0．6V電壓，客戶可以在一個SoC設計平臺上享受這兩種技術的優(yōu)勢。另外，該廠商還開發(fā)了22nm制程的ReRAM技術平臺和22nm嵌入式磁阻隨機存取內存（eMRAM）制程平臺，可應用于人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）相關產品。
與臺積電的策略類似，這家廠商也開始在中國臺灣以外地區(qū)擴充較為成熟制程的產能，它選擇的地點是新加坡。今年2月，該廠商董事會通過了在新加坡Fab12i廠區(qū)擴建一座全新晶圓廠計劃，新廠第一期的月產能規(guī)劃為3萬片晶圓（12英寸），制程主要為22nm／28nm，預計2024年底開始量產。
該廠商表示，受5G、物聯(lián)網(wǎng)和車用電子大趨勢帶動，它對22nm／28nm制程需求的前景持樂觀態(tài)度，因此，新加坡新廠所擴增的產能也簽訂了長期的供貨合約，以確保2024年后對客戶產能的供應。該廠商期望這座新廠能在滿足這些市場強勁需求上扮演重要角色，特別是協(xié)助緩解22nm／28nm晶圓產能結構性短缺狀況。
在生態(tài)系統(tǒng)方面，特別是EDA和IP的支持必不可少。Arm為臺積電等廠商的22nm 工藝開發(fā)了物理 IP，包括標準單元庫、通用I／O和內存編譯器。EDA方面，三大EDA廠商都支持22nm工藝技術。
FD－SOI另辟蹊徑
隨著制程節(jié)點的微縮，傳統(tǒng)的平面型CMOS工藝已經難以滿足微縮要求，正因如此，才出現(xiàn)了3D結構的FinFET工藝，但漏電流是FinFET無法回避的短板，要想降低功耗，就需要有新的工藝技術，F(xiàn)D－SOI（Fully Depleted SOI，全耗盡SOI）應運而生。
FD－SOI晶體管，硅薄膜限定了源漏結深，同時也限定了源漏結的耗盡區(qū)，從而改善了DIBL（Drain Induced Barrier Lowering，漏致勢壘降低） 等短溝道效應，改善了器件的亞閾特性，降低了電路的靜態(tài)功耗。此外，F(xiàn)D－SOI晶體管無需溝道摻雜，可以避免 RDF（Random Dopants Fluctuation，隨機摻雜漲落） 等效應，從而保持穩(wěn)定的閾值電壓，同時還可以避免因摻雜而引起的遷移率退化。與FinFET 相比，F(xiàn)D－SOI技術還有一個重要賣點，即先進的負偏壓（back bias）技術。
低漏電特性使得FD－SOI非常適合需要低功耗且成本敏感的應用。
下圖所示為28nm HKMG（High－K Metal Gate）與22nm FD－SOI（22FDX）兩種不同工藝的功耗與頻率量化對比圖。橙色曲線為 28nm HKMG，中間那條曲線為 22nm FD－SOI（不做bias），最上面藍色曲線為22nm FD－SOI（采用正向 bias）。
從圖中可以看出，在同樣頻率下，采用22FDX（不做bias）工藝的功耗比28nm HKMG節(jié)省了近50％，而采用同樣頻率和工藝的22FDX，有FBB（Forward Body Biasing）的功耗比沒有采用偏壓技術的節(jié)省了近50％的功耗。
FD－SOI的忠實玩家非GlobalFoundries莫屬了，特別是22nm FD－SOI，該公司是第一個嘗鮮的，上文的22FDX也正是GlobalFoundries標志性的工藝技術。據(jù)悉，22FDX在pFET溝道中集成了high－k／metal－gate以及SiGe，以提高驅動電流。如果需要，SiGe溝道可以用硅替代以減少泄漏。與28nm相比，22FDX的性能提高了30％，功耗降低了45％。
在22FDX的基礎上，GlobalFoundries還在開發(fā)12nm的FD－SOI，原計劃在2022年正式推出。
除了GlobalFoundries，意法半導體（ST）和三星也非常看好FD－SOI，三星正在開發(fā)18nm FD－SOI技術。
在市場和應用層面，22nm或18nm FD－SOI與FinFET 工藝技術，特別是16nm／14nm制程是互補的，而非競爭關系，它們服務于不同市場和應用，幾乎沒有重疊。
結語
在英特爾重金殺入晶圓代工市場之前，在22nm這個節(jié)點，原本是波瀾不驚的狀態(tài)。首先，全球22nm制程的規(guī)模相對較小，而且又分為傳統(tǒng)平面型CMOS和FD－SOI工藝，前者的代表企業(yè)是臺積電，后者的代表企業(yè)是GlobalFoundries，由于GlobalFoundries和臺積電的制程工藝發(fā)展戰(zhàn)略迥異，現(xiàn)在這兩家的競爭關系已經很弱了，而中國臺灣另一家晶圓代工大廠與GlobalFoundries在22nm處的競爭也較弱，因為它們的22nm工藝路線不同，一個是傳統(tǒng)平面型CMOS，另一個是FD－SOI。因此，總體來看，全球22nm制程工藝原本沒有出現(xiàn)強競爭態(tài)勢。
但是，隨著英特爾強勢殺入全球晶圓代工市場，特別是聯(lián)發(fā)科宣布采用該公司22nm制程的升級版本代工其相關芯片，另外，各大晶圓代工廠不斷擴充成熟制程產能，其中就包括22nm，臺積電在日本，另一家在新加坡建新廠是典型代表。所有這些湊在一起，很可能會攪動原本比較平靜的22nm制程芯片市場，未來發(fā)展值得關注。
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