【原创】2年前的官宣让格芯走上了一条什么道路?

winniewei 提交于 周二, 11/24/2020
【原创】2年前的官宣让格芯走上了一条什么道路?

作者:张国斌

当台积电在领先工艺上享受主角光环的时候,格芯经过2年的布局和深耕,已经在特色工艺领域渐入佳境

2018 年8月,全球晶圆排名第三的格芯(GLOBALFOUNDRIES)的一则官方宣布震惊了业界:格芯宣布为支持公司战略调整,格芯将搁置7纳米FinFET项目,并调整相应研发团队来支持强化的产品组合方案。一大部分顶尖技术人员将被部署到14/12纳米FinFET衍生产品和其他差异化产品的工作上。

简单地说:就是 ,哥以后不跟着台积电玩了,哥要走特色工艺去了。

这个官宣宣告格芯将正式开启特色工艺服务之路;

这个官宣发布后,舆论大哗 ,很多媒体开始唱衰格芯

如今,2年过去了

格芯在特色工艺领域状况如何? 四个字

渐入佳境!

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在最近格芯召开的2020在线技术大会上,格芯中国区总裁及亚洲业务发展负责人Americo Lemos在接受电子创新网等媒体采访时透露格芯在特色工艺领域稳步前行,目前格芯有5家200mm晶圆厂 和5家300mm晶圆厂,格芯提供的工工艺节点从300nm延伸到12nm,以格芯位于德累斯顿的Fab1为例,它提可以提供22FDX、28SLP、40/45/55NV以及BCDLite工艺服务,格芯计划在2020/2021年每年的晶圆开工量在40万到50万片之间,并对Fab1进行扩产。

目前,格芯的22FDX节点生产的芯片出货量已超过3.5亿颗,实现了45亿美元营收,很多领先的人工智能芯片、可穿戴类芯片都采用这个工艺。此外,格芯在硅光领域也进行了布局,还有,在SOI工艺领域格芯也收获颇丰,格芯有超过250家客户,其中很多是重量级半导体大客户,中国的紫光展锐、瑞芯微、复旦微等都是格芯的客户。

有媒体预测未来几年格芯晶圆产能有望翻倍到90万~100万片!届时,格芯在差异化特色工艺领域将有望引领市场。

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为发展特色工艺,格芯创建了三个战略业务部门,即汽车、工业和多市场战略业务部(AIM)、移动和无线基础架构部(MWI)以及计算和有线基础架构部(CWI)。格芯估计,在这些市场中,约有470亿美元的晶圆厂业务可以通过12nm或以上技术节点领域的解决方案来解决。其中,AIM业务占240亿美元,MWI和CWI分别占150亿美元和80亿美元。

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AIM市场包含物联网等应用,物联网由环境中感知、存储和传输数据的联网设备组成。汽车应用也属于这一细分市场,支持先进的驾驶员辅助系统、汽车雷达、动力系统控制等各种功能。

在MWI市场,5G无线通信的出现是一个关键驱动因素。其低延迟率和极快的数据传输速度有望实现通用移动连接,大幅降低网络运营商的数据传输成本,并催生大量新应用。据估计,到2035年,通过5G网络连接的智能设备将会高达一万亿台。

CWI领域的发展也受到云计算和人工智能/机器学习爆炸式增长的推动。

这些市场不过分追求高级工艺而是需要能优化功能的成熟平台。市场需要针对特定应用量身打造的其他类型的创新技术。格芯称它们是特定领域解决方案,而这正是格芯的专长所在。

以物联网应用为例,典型的物联网设备包括具有模拟接口的传感器、用于编码和数据存储的存储器、用于数据通信的射频功能、用于控制设备和处理数据的处理器,另外可能还有电池和电池接口。大多数情况下,这些设备可能处于休眠模式,需要超低功耗,但一旦被信号唤醒,设备必须立即切换到高性能模式,以便在存储器中获取或存储数据,处理数据,然后传输或接收数据。

格芯的特色工艺

在本次2020在线技术大会上,格芯CEO Tom Caulfield发表了主题演讲,他表示过去两年间,格芯重建了自己在半导体行业的定位。 “GF将战略重心转向成为一个创新型的领导者, 为广泛的细分市场提供功能丰富的差异化解决方案。”他自豪地宣布。

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他以智能手机为例--每年全球智能手机出货量超过13亿,但其中需要高级工艺的只有处理器,其他并不需要高级工艺,这都是格芯的菜。“ 格芯为手机生产了许多具有关键功能芯片,如射频模组,调谐器、低噪放、功放、射频开关等,以及NFC芯片,嵌入式存储等。”他举例说。

“实际上,手机的触摸屏芯片、电源管理IC 、摄像头传感器、ISP等等都是格芯专注的领域 。 ”Americo Lemos补充说,“格芯55 BCDLite解决方案的出货量已经超过30亿颗,目前市场上7款领先的高端智能手机中就有5款采用了该解决方案。”

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格芯全球销售高级副总裁Juan Cordovez解释说55 BCDLite专业解决方案建立在格芯成熟的55nm平台上,并经过了优化,可在0.9V至30V的电压范围内工作,并为移动音频应用提供出色的音频放大器性能。

55BCDLite解决方案对低功耗逻辑、出色的低漏源极导通电阻和先进的电源监控进行了微调,能够提供出色的音质,延长电池寿命,提高集成度和面积效率,并支持嵌入式存储器功能。

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据他介绍,除音频放大器之外,格芯客户还利用55 BCDLite的出色性能和小尺寸,用于其他电源管理应用,包括蜂窝和Wi-Fi功率放大器、电池充电的接口和验证、音频触觉等。据他介绍,格芯55 BCDLite建立在格芯180 UHV、180 BCDLite、130 BCD和130 BCDLite产品的成功经验基础上。依托于强大的IP生态系统和广泛的晶圆厂后端交钥匙服务,所有这些解决方案都支持高效的产品开发,并以经济高效的价格,集成多种功能和电压范围广泛且出色的功率设备。

FDX22进入收获期

全耗尽型绝缘体上硅(FD-SOI)是一种平面工艺技术,它依赖于两项主要技术创新。首先,在衬底上面制作一个超薄的绝缘层,又称埋氧层。然后,用一个非常薄的硅膜制作晶体管沟道。因为沟道非常薄,无需对通道进行掺杂工序,耗尽层充满整个沟道区,即全耗尽型晶体管。这两项创新技术合称“超薄体硅与埋氧层全耗尽型绝缘体上硅”,简称UTBB-FD-SOI。

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从结构上看, FD-SOI晶体管的静电特性优于传统体硅技术。埋氧层可以降低源极和漏极之间的寄生电容,还能有效地抑制电子从源极流向漏极,从而大幅降低导致性能下降的漏电流。

FD-SOI在低功耗高性能方面实现了均衡,几年前,格芯和三星、ST一起布局这个技术,推出22FDX平台,并和合作伙伴如芯原微电子、Soitec等一起打造FD-SOI生态,如今,付出没有白费,格芯在FD-SOI领域开始进入收获期。Juan Cordovez表示格芯22FDX中标金额高达45亿美元,这个工艺已经在人工智能、可穿戴等领域获得大量订单。

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另外,FD-SOI工艺其实还有一个非常突出的有别于FinFET工艺的特点,就是体偏置技术--当衬底的极性为正,即 “体正偏”,简称FBB时,晶体管的开关速度更快。FBB是一个易于实现的极其有效的性能和功耗优化方法,可在晶体管开关期间动态调制FBB信号,这为设计人员优化性能和功耗带来极大的灵活性,当性能是优先考虑时,可以将电路设计得更快;否则,可以将电路设计得更节能。

格芯目前已经打造了成熟的支持自适应体偏置(ABB)的生态,设计公司可以从多家IP供应商处获得更深入的FDX IP库,包括带有工艺、电压、温度和体偏置表征的库和存储器,如面向汽车应用的Synopsys、面向物联网CryptoIsland™安全性的ARM,以及来自芯原的IP等等。

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格芯的合作伙伴Dolphin Design2019年开发出了IP和测试芯片,可支持FDX平台上的自适应(正向或反向)体偏置(ABB)(正向偏置降低阈值电压以提高性能,而反向偏置则提高Vt以降低漏电流)。

格芯表示利用体偏置来补偿工艺。仅此一项,就可以使设计性能提高多达30%!

目前,人工智能应用炙手可热,但是人工智能技术存在功耗瓶颈--需要大的算力就要付出高功耗的代价,格芯的FDX平台正好可以做很好的平衡。无论是基于FinFET的12LP (12nm FinFET)平台和12LP+解决方案,还是基于全耗尽型SOI的平面22FDXTM (22nm FD-SOI)平台都可以满足客户的需求。

特别地,对于开发“即时开启或永远在线”人工智能应用客户来说,22FDX的eMRAM产品具有很强的优势,可帮助客户实现高密度和非易失性。

下面这个视频是Perceive CEO 和格芯高级副总裁Mike Hogan 22FDX对对人工智能处理器的帮助。

此外,在汽车电子领域,22FDX平台也颇受欢迎,该平台将毫米波性能与数字集成一体,支持77GHz以上的高分辨率雷达。这是对于汽车雷达的“甜蜜点”,因为一流的RF性能与出色的数字集成相结合,能够显著改进成像分辨率和精确度。

据介绍,22FDX平台之所以受到市场欢迎,关键在于它可提高功率附加效率(PAE),这意味着即使在低功耗下工作,也能提供高输出功率,随着汽车中的电子装置持续增加,这会成为一大重要优势。该平台的高PAE特性有助于减少热预算,使其成为一种多功能解决方案,能够在汽车底盘和车身中对热性能要求很高的位置使用,例如嵌入在泡沫保险杠中的雷达传感器。

下图显示,与标准28nm体硅CMOS技术相比,格芯的22FDX平台为汽车雷达系统制造商提供了显著优势。

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2020年的新冠疫情让我们意识到大健康的重要性,格芯还利用22FDX平台和医疗设备初创公司Movano Inc.合作推出了一种连续血糖监测技术。这款 "无针 "监测仪给很多患者带来福音。

Juan Cordovez表示格芯还对22FDX平台进行了延展,推出了22FDX Plus平台,对这个平台进行了功能的丰富和技术的发展,使它更适用于物联网和穿戴设备的应用。

硅光平台,布局未来10年

经过近30年的发展,硅光技术已经已经逐渐成熟,到了爆发的前夜。

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硅光技术基于1985年左右提出的波导理论,2005-2006年前后开始逐步从理论向产业化发展,Luxtera、Kotura等先行者不断推动技术和产业链的发展,形成了硅光芯片代工厂(GlobalFoundries、意法半导体、AIM等)、激光芯片代工厂(联亚电子等)、芯片设计和封装(Luxtera、Kotura等)较为成熟的Fabless产业链模式,也有Intel为代表的IDM模式,除激光芯片外,设计、硅基芯片加工、封测均自己完成)。

硅光子技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术。基于硅基衬底材料,利用CMOS工艺,结合微电子为代表的集成电路及光子技术,用激光束代替电子信息传输数据。

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硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成,使用该技术的芯片中,电流从计算核心流出,到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤,到另一块芯片后再转换为电信号。

硅光技术的走热,源于用电传输数据的功耗日益增大,在后摩尔时代,不断缩小的芯片尺寸存在物理极限,漏电流增加、散热问题大等问题难以解决。而通过硅光集成,用光代替电进行信息传输,将大大降低集成电路的成本。

格芯与硅光初创公司Ayar Labs自2016年起一直在合作研发封装内光学互连单芯片解决方案,“在同一芯片上集成光子和RF CMOS电路讲求精妙的平衡。将其全部集成到硅片上,我们便可充分利用硅制造技术的规模、成本和工艺控制优势。”格芯副总裁Anthony Yu在接受电子创新网专访时指出。“硅光方案主要用户数据传输,主要是在数据中心领域。”

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Anthony Yu表示,格芯2015年获得了IBM的九年光子学研究成果,并实现了90nm工艺“产业化”,即90WG。他表示:“在菲什基尔的工厂,我们已经在300mm晶圆上实现了这一工艺的量产。格芯做的大量的工作不仅定位于可信任的制造服务提供商,也针对光传输器准备可批量生产的各种相关器件。”

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格芯的45CLO工艺是整合数字RF功能与所需的光学器件的硅光单芯片解决方案。(资料来源:格芯)

位于佛蒙特州伯灵顿附近的格芯Fab 9一直在利用锗硅工艺(9HP)为光学收发器制造元件。这些解决方案(激光驱动器、跨阻放大器(TIA)和其他分立式元件)被数据中心和其他市场中的“可插拔”多芯片光模块所采用,以通过光纤链路实现服务器机架的中距离连接。

在硅光模块中,光子链路连接到同一封装中的高性能IC,同时借助外部激光器提供光源。该封装通过光纤连接到另一个采用光子链路的模块,从而形成封装到封装高速互连,同时大幅降低功耗。下图是采用电信号进行数据传输时的功耗测算。

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如果采用光信号进行信号传输则能效可以大大提升,距离也可以大大增加。

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据介绍,Ayar Labs和格芯合力研发可进行批量制造的单芯片解决方案,以期缓解数据中心带宽日益捉襟见肘的境况。例如,机器学习在连接处理器和GPU以及高带宽内存时要求更高的芯片到芯片带宽。这是因为数据中心需要将机器分布到不同的物理位置,并使用通过超高带宽互连接口连接起来的多个组件。

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所以,硅光模块将在数据中心获得大量采用,据Yole预测,到2025年硅光子市场规模将超13亿美元,其中将超过90%来自于数据中心应用。硅光有望在400G中等距离取得突破。

格芯的45CLO工艺将赋能一流的光学和数字功能。

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据悉,Ayar Labs和格芯正在合作研发格芯的新一代硅光平台45CLO,Ayar Labs计划在其器件量产时使用这一平台。Anthony Yu透露,公司的45CLO单芯片技术将在纽约州马耳他的8号晶圆厂生产,并计划于2021年下半年完成生产工艺认证。

云游戏、机器人、外科手术机器人、CV2X车与车和车与网络的链接、智能制造、蜂窝网络和其他应用需要数据中心处理海量数据,而在边缘侧,每时每刻都在产生大量的数据,数据搬运将是未来的最大商机,而硅光技术将在这个领域展示它的魅力。

格芯正悄然成为硅光子领域的一股强大力量,未来格芯在这个领域必有辉煌的前景,据笔者了解,国内一些硅光初创公司已经和格芯建立了合作联系。

Americo Lemos还在采访中特别表示格芯将通过优质的投资,助力创新,并在中国发挥关键作用。

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在我们生活的自然界,有雄浑深邃的大森林,也有山花烂漫的原野 ,它们构成了一幅美丽的画卷,当我们赞美参天巨树的时候,我们也歌唱离离小草。

在代工领域,格芯正在另一条道路上书写自己的辉煌。

注:本文为原创文章,转载请注明作者及来源

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