美國國防部，大手筆資助一家小晶圓廠

  ICC訊  美國晶圓廠SkyWater Technology今天宣布，美國國防部 (DOD) 正在資助一項價值 2700 萬美元的其他交易 (OT) 協(xié)議選項，以進一步開發(fā)其 90 nm 戰(zhàn)略抗輻射 (RH90) FDSOI 技術(shù)平臺的知識產(chǎn)權(quán) (IP)。這是 SkyWater 與國防部之間的最新協(xié)議，旨在確保美國制造的芯片來源可靠且可信賴，用于戰(zhàn)略防御和太空應(yīng)用。

  這是 SkyWater 的 RH90 技術(shù)路線圖的又一步，也是國防部先前宣布的對SkyWater 投資高達 1.7 億美元以擴大戰(zhàn)略抗輻射電子產(chǎn)品的陸上生產(chǎn)能力的一部分。國防部最近確定 SkyWater 已成功完成基地原型項目。

  SkyWater 的 RH90 平臺基于麻省理工學(xué)院林肯實驗室的 90 納米完全耗盡絕緣體上硅 (FDSOI) 互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 工藝，該工藝旨在生產(chǎn)能夠承受嚴(yán)苛環(huán)境的抗輻射(抗輻射)電子產(chǎn)品輻射環(huán)境。輻射效應(yīng)會迅速降低微電子器件的性能，如果不加以緩解，可能會導(dǎo)致性能受損、故障或完全失效。林肯實驗室開發(fā)了 FDSOI 工藝，使集成電路能夠抵抗極端輻射水平引起的退化和故障。

  “作為唯一一家擁有和經(jīng)營純半導(dǎo)體代工廠的美國投資者，我們致力于在芯片制造回流方面發(fā)揮我們的作用。與國防部的這種合作是 SkyWater 眾多公私合作伙伴關(guān)系的一個例子，這些合作伙伴關(guān)系使我們在進一步保護和加強我們的國內(nèi)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈方面取得了長足的進步，”SkyWater 總裁兼首席執(zhí)行官 Thomas Sonderman 說。“隨著美國在技術(shù)創(chuàng)新方面繼續(xù)引領(lǐng)世界，SkyWater 將繼續(xù)努力滿足美國政府的關(guān)鍵需求，提供國內(nèi)制造國防和航空航天應(yīng)用設(shè)備所需的可信半導(dǎo)體技術(shù)?！彼又f。

  帶你了解一家不一樣的晶圓代工廠

  賽普拉斯半導(dǎo)體公司(Cypress Semiconductor)在美國的明尼蘇達州擁有一座芯片制造基地，主要用于生產(chǎn)模擬和特種工藝類芯片。該基地最初是由Control Data公司創(chuàng)建的，在20世紀(jì)90年代被賽普拉斯收購。在那之后的25年多的時間里，賽普拉斯將該工廠的制程工藝逐步演進至65nm。

  而在2017年3月1日，一家名為SkyWater的晶圓代工廠成立了，并接管了原本屬于賽普拉斯的這座芯片制造基地。據(jù)該公司的CEO Tom Sonderman介紹，該工廠所采用的常規(guī)制程為130nm和90nm，也可以實現(xiàn)65nm芯片的生產(chǎn)。據(jù)悉，該工廠專注于為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用制造高容量的小批量產(chǎn)品，如專用SRAM和混合信號電路，而賽普拉斯在這里已經(jīng)擁有原型和工藝研發(fā)業(yè)務(wù)，SkyWater繼承了這份“遺產(chǎn)”。

  假設(shè)200毫米直徑的晶圓有30個掩膜層，則該工廠的生產(chǎn)能力約為每月12,000片晶圓，這比賽普拉斯出售該設(shè)施時所具有的產(chǎn)能要小，但這種容量計算取決于所處理電路的復(fù)雜程度和產(chǎn)品組合。

  Oxbow

  據(jù)悉，是總部位于明尼蘇達州的私募股權(quán)公司Oxbow Industries LLC推出了SkyWater，該公司專門與公司管理層合作購買和建立業(yè)務(wù)。必要時，Oxbow還向其公司注入管理人員，例如，Sonderman就是從半導(dǎo)體設(shè)備公司Rudoph Industries招募過來的，他之前在Globalfoundries工作了很多年，在晶圓代工方面經(jīng)驗豐富。

  Sonderman在SkyWater招聘管理工作中度過了前15個月，并建立了“技術(shù)代工”的能力，這些能力可以引起業(yè)界的共鳴，并幫助SkyWater獲得動力。

  Sonderman認(rèn)為，制造工藝經(jīng)過幾十年的穩(wěn)定發(fā)展，以及線寬不斷微縮的情況下，現(xiàn)在需要進一步強調(diào)制程創(chuàng)新，以為5G通信和人工智能驅(qū)動的后智能手機時代做好準(zhǔn)備。

  2017年3月1日，SkyWater的收入中，有97%來自賽普拉斯，3%來自一家名為Parade Technologies Ltd的公司.，該公司于2015年從賽普拉斯收購了TrueTouch電容式觸摸傳感業(yè)務(wù)。Sonderman表示，2018年，SkyWater的收入當(dāng)中，約有60%源于與賽普拉斯的合作，另外的40%則來源于代工業(yè)務(wù)。他補充說，這些比率包括晶圓生產(chǎn)和工程收入流。

  受到美國政府青睞

  Oxbow Industries參與收購該公司的原因之一是，它看到了一家在美國本土擁有工廠的企業(yè)可以支持美國政府的目標(biāo)和計劃，特別是當(dāng)前政府關(guān)注的美國處于技術(shù)領(lǐng)先地位的，以及本土制造業(yè)。據(jù)悉，SkyWater在代工廠成立后的幾周內(nèi)就被美國國防部授予了1A級可信賴Foundry 廠稱號。

  這肯定有助于SkyWater獲得更多的合同訂單。雖然其他客戶并不直接要求這種資質(zhì)，但它能有資格接受美國政府的計劃工作，可以說明其具有強大的信息處理系統(tǒng)和能力。也就是說，處理敏感信息的安全性和嚴(yán)謹(jǐn)性可以使SkyWater的所有客戶受益，無論他們身在何處。

  Sonderman表示，該公司打算在傳統(tǒng)的混合信號CMOS工藝方面進行批量生產(chǎn)，并且正在進行相關(guān)的開發(fā)工作，該開發(fā)與200mm直徑硅晶片的制造兼容。

  目前，SkyWater的主流制程是130nm S8工藝，支持嵌入式閃存和RF的可編程片上系統(tǒng)設(shè)計，適用于汽車和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。SkyWater還可以提供一項技術(shù)，通過低溫讀出IC(ROIC)和基于MEMS的微測輻射熱計成像實現(xiàn)紅外成像。SkyWater具有130nm和90nm的標(biāo)準(zhǔn)PDK [物理設(shè)計套件]。

  技術(shù)特色

  SkyWater提供研發(fā)設(shè)施，以幫助客戶開發(fā)新技術(shù)，并使其成熟到商業(yè)或量產(chǎn)的成熟度。這些創(chuàng)新工程服務(wù)在量子和超級計算的超導(dǎo)性、高速通信的硅光子學(xué)、MEMS、生物醫(yī)學(xué)電路、抗輻射電路等領(lǐng)域中運行。

  SkyWater還為制造技術(shù)進出工廠提供支持，這可能發(fā)生在兩個方向。

  Sonderman解釋說，制造工藝可以在Bloomington商業(yè)化，并在那里采用200mm晶圓的合理產(chǎn)量，但是當(dāng)需要更大的產(chǎn)量時，SkyWater將能夠?qū)⒐に囖D(zhuǎn)移到更高容量的工廠，從而使客戶受益，同時可以使SkyWater為更多的創(chuàng)新活動騰出空間。同樣，批量代工廠通常希望將其生產(chǎn)平衡為較高產(chǎn)量設(shè)計的較低組合，因此希望減少批量生產(chǎn)。“我們正在與一家大型代工廠合作，將技術(shù)轉(zhuǎn)移到我們的工廠。我們處于一種可以在市場上彌補這種差距的模式，”Sonderman說。

  Sonderman強調(diào)，SkyWater不會作為一個溢出(overflow)的制造工廠運作，那樣的話會被更大的代工廠制約。“我們將擁有自己穩(wěn)定的客戶和關(guān)系，”他說。

  Sonderman繼續(xù)說道：“我們的技術(shù)代工模型與專業(yè)代工廠或More-than-Moore代工廠之間的區(qū)別就在于此。More-than-Moore方法強調(diào)支持客戶在基于獨特IP的硅的前沿競爭能力，以及能夠處理超出硅的新材料。SkyWater在我們支持的制程工藝方面并不具備領(lǐng)先優(yōu)勢，但是，我們專注于為客戶提供創(chuàng)新工程服務(wù)，以開發(fā)新技術(shù)和設(shè)備的流程，相應(yīng)的PDK與其它代工廠不兼容?！?

  制程工藝

  SkyWater正在追求的高度差異化的技術(shù)之一是基于碳納米管的FET工藝。該技術(shù)在SkyWater的一個名為3D SoC的計劃中提出，并由美國國防高級研究計劃局(DARPA)根據(jù)其電子復(fù)興計劃(ERI)提供資金。

  “該計劃的目標(biāo)包括展示單片集成的3DSoC，預(yù)計可提供90nm尺寸，與7nm硅基性能相比，具有50倍的速度優(yōu)勢。這項技術(shù)可以代表一種全新的計算范例，也可以進一步發(fā)展并擴展到更高級的節(jié)點，以獲得更大的性能優(yōu)勢，“Sonderman說。

  低維材料，如石墨烯和硫化鉬(molybdenum-sulphide)，已經(jīng)研究了很多年，它們在商業(yè)階段的首次亮相即將出現(xiàn)。SkyWater也很愿意參與新一代化合物半導(dǎo)體，如硅鍺、碳化硅和氮化鎵的研究工作。

  SkyWater還在MEMS領(lǐng)域進行著研發(fā)工作，正在研究采用氧化釩(vanadium-oxide)技術(shù)的圖像傳感器。另外，在硅光子學(xué)方面的工作已經(jīng)持續(xù)了三年多的時間，現(xiàn)在已投入生產(chǎn)。該工廠一直在用D-Wave進行超導(dǎo)工作(關(guān)于量子計算)的研究，至今已有6年多了。

  業(yè)務(wù)拓展

  “我們看到，市場對我們的技術(shù)代工業(yè)務(wù)模式有著強烈的需求，并且產(chǎn)能利用率很高，”Sonderman說，處理200毫米直徑的晶圓是這類業(yè)務(wù)的最佳選擇，短期內(nèi)沒有將其轉(zhuǎn)移到300毫米晶圓的計劃。不過，他補充說，該公司正在尋找擴大產(chǎn)能的選擇和途徑，包括對已有工廠的擴張，還有收購和其它形式的合作等，不僅要擴充產(chǎn)能，還要拓展整體水平和能力。

  Sonderman說，盡管Bloomington工廠幾乎裝滿了設(shè)備，包括一個重要的測試設(shè)施，因此可以在那里進行改造。第二種選擇是從現(xiàn)有工廠擠出更多的空間，以擴充潔凈室區(qū)域。

  美國扶持特種工藝代工廠帶來的啟示

  2020年6月10日，民主黨和共和黨在參議院共同推出了CHIP法案，該法案提出要花100億美元在美國本土建設(shè)下一代半導(dǎo)體廠，同時給半導(dǎo)體行業(yè)的相關(guān)研究撥款120億美元。6月25日，兩黨議員又在參議院推出了美國半導(dǎo)體制造廠法案(American Foundries Act)，該法案提出為美國國內(nèi)的半導(dǎo)體生產(chǎn)和研究撥款150億美元，同時為國家安全相關(guān)的關(guān)鍵半導(dǎo)體生產(chǎn)撥款50億美元。

  這兩個法案的推出，無疑是因為美國政界意識到美國在半導(dǎo)體生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)不再處于全球最領(lǐng)先的地位。目前，排名靠前的主流半導(dǎo)體代工廠中，美國只有一家GlobalFoundries。但是，我們也必須看到，在下一代半導(dǎo)體工藝器件等研究領(lǐng)域，美國的科研實力仍然引領(lǐng)著全球，而美國政府想要做的，就是把這些全球領(lǐng)先的研究成果盡量留在美國本土落地。這也是前述的兩個法案都提出要花大量資金扶持本土下一代半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)的原因。而在這些政府投資的背后，我們看到有一家名聲不顯卻在各項半導(dǎo)體孵化計劃中扮演重要角色的半導(dǎo)體代工廠SkyWater。就在以上法案公布后，SkyWater宣布和GlobalFoundries簽署了諒解備忘錄，兩家公司將在多個領(lǐng)域的產(chǎn)品上做交叉授權(quán)。

  在美國，政府在撥款進行半導(dǎo)體領(lǐng)域相關(guān)的研究時，往往會有一個條款，即相關(guān)的芯片設(shè)計或工藝驗證需要在政府認(rèn)證的“可靠代工廠”(trusted foundry)中完成，而SkyWater就屬于美國少數(shù)幾家有能力和意愿與科研機構(gòu)進行合作工藝開發(fā)的trusted foundry，這有點類似中國的“軍轉(zhuǎn)民”概念。但是，SkyWater的經(jīng)營理念并不是從政府獲得補助，而是為獲得政府支持的機構(gòu)提供服務(wù)。軍工、航天等領(lǐng)域自然不必贅述，SkyWater和科研機構(gòu)的合作更值得分析。一方面，SkyWater的工藝為各種有需要的研究機構(gòu)提供MPW等流片相關(guān)的服務(wù)，以及合作開發(fā)工藝的機會。除了之前提到的和MIT等高校的碳納米管合作項目之外，SkyWater還與Google一起在近日發(fā)布了130nm的開源PDK，供半導(dǎo)體相關(guān)的研究人員免費試用。雖然130nm已經(jīng)是十多年前的技術(shù)，但是其仍然能為一些集成電路的新設(shè)計提供物理設(shè)計驗證。SkyWater的開源PDK將幫助從事電路設(shè)計研究的人員更快更好地完成概念驗證，而省去了PDK授權(quán)的過程。另一方面，SkyWater也是科研機構(gòu)技術(shù)轉(zhuǎn)化的出口。在上周，MIT的林肯實驗室發(fā)布消息，稱其完成了將自己的抗輻射半導(dǎo)體技術(shù)研究在SkyWater的商用化，相信這也是科研機構(gòu)向SkyWater做技術(shù)轉(zhuǎn)化的一個例證。最后，SkyWater在完成技術(shù)孵化后，也會考慮將自己的技術(shù)轉(zhuǎn)讓給更大的代工廠，從而提升這些技術(shù)的產(chǎn)能。最近SkyWater和GlobalFoundries的合作就是這方面的一個例證。這樣一來，SkyWater就完成了一個生態(tài)閉環(huán)：從為科研機構(gòu)提供流片服務(wù)和工藝合作開發(fā)，高校在完成技術(shù)開發(fā)原型后在SkyWater落地并小規(guī)模服務(wù)于其他有需要的科研機構(gòu)，到最后技術(shù)在SkyWater經(jīng)過較長時間的驗證后最終落地到更大的美國代工廠(如GlobalFoundries)，這個閉環(huán)中的所有環(huán)節(jié)主要的客戶全部都是美國機構(gòu)，而技術(shù)也就留在了美國。

  SkyWater值得我們借鑒的地方，正式其獨特的定位。它的定位就是一家介于科研與商業(yè)之間的，為政府相關(guān)項目提供支持和服務(wù)的代工廠，同時也提供新工藝方面的合作探索。它的首要目的并非盈利，首要考慮也并非商業(yè)化落地，這樣的定位將會為半導(dǎo)體領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化帶來很大價值。目前，在我國也有大量的半導(dǎo)體工藝相關(guān)研究，而這些研究，尤其是下一代半導(dǎo)體技術(shù)，在進行技術(shù)轉(zhuǎn)化時，往往會遇到研究與商業(yè)之間的不匹配問題。在進行研究時，科研機構(gòu)主要做的是提出未來潛力很大的技術(shù)并完成原型驗證;而這些原型技術(shù)還需要大量的工程迭代才能真正大規(guī)模商用。對于純商業(yè)化的半導(dǎo)體代工廠來說，做這些技術(shù)的商業(yè)落地意味著高風(fēng)險，因此并不可能投入許多資源去做工程迭代;而打磨工程也并非研究機構(gòu)的長項，因此最理想的情況是由一個介于中間的小型代工廠來合作開發(fā)并完成工程迭代，然后再把孵化成功的技術(shù)轉(zhuǎn)化給大型的商業(yè)化半導(dǎo)體代工廠。此外，通過將新的半導(dǎo)體工藝技術(shù)首先在這類小型代工廠中投入生產(chǎn)，可以為其他科研機構(gòu)基于新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用提供方便，從而真正把新技術(shù)的生態(tài)做起來。在美國有SkyWater，而在歐洲類似的機構(gòu)則有IMEC，我們認(rèn)為我國也可以借鑒這些經(jīng)驗，從而讓中國半導(dǎo)體行業(yè)的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化更加順暢，同時也加速我國半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。

       本文轉(zhuǎn)載自：半導(dǎo)體行業(yè)觀察