• 正文
    • ?01芯片流片成功率,歷史低點(diǎn)
    • ?02芯片良率,難倒巨頭
    • ?03結(jié)語(yǔ)
  • 相關(guān)推薦
申請(qǐng)入駐 產(chǎn)業(yè)圖譜

芯片,遇到難題

05/15 09:25
2445
加入交流群
掃碼加入
獲取工程師必備禮包
參與熱點(diǎn)資訊討論

作者:九林

最近,semiengineering的文章指出,由于復(fù)雜性不斷上升,芯片制造從單片芯片轉(zhuǎn)向多芯片組件,需要進(jìn)行更多次迭代,以及定制化程度不斷提高導(dǎo)致設(shè)計(jì)和驗(yàn)證更加耗時(shí),首次流片的成功率正在急劇下降。

從西門(mén)子提供的數(shù)據(jù)看,半導(dǎo)體行業(yè)首次流片的成功率已經(jīng)達(dá)到了歷史低點(diǎn)。此外,隨著2nm的到來(lái),先進(jìn)制程工藝下的芯片良率也很難提高。

芯片遇到了大難題。

?01芯片流片成功率,歷史低點(diǎn)

流片對(duì)于芯片設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),就是參加一次大考。

流片是檢驗(yàn)芯片設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵,就是將設(shè)計(jì)好的方案交給代工廠生產(chǎn)出樣品,檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的芯片有沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求,或者要不要進(jìn)一步優(yōu)化。如果能夠生產(chǎn)出符合要求的芯片,那么就可以大規(guī)模生產(chǎn)了。

在紀(jì)錄片《電子立國(guó)自述傳》中,對(duì)于流片時(shí)的心情是這么描述的:每次芯片tapeout的兩三個(gè)月里,我的內(nèi)心終日惶惶不安,難以入眠。無(wú)時(shí)無(wú)刻不在想哪里對(duì)不對(duì),會(huì)不會(huì)有問(wèn)題……等到芯片送回來(lái),第一次按RESET時(shí),我的心情緊張到了極點(diǎn),松開(kāi)RESET的瞬間,便是區(qū)分天堂與地獄的瞬間。

從西門(mén)子的數(shù)據(jù)來(lái)看,正常芯片流片首次成功率在30%左右,但兩年降到 24%,2025年成功率更是降低至14%,十家中有八家都會(huì)失敗。

有些芯片失敗是因?yàn)樵O(shè)計(jì)流程過(guò)于隨意,有的芯片失敗不一定是因?yàn)楣δ軉?wèn)題。如果流片返回后運(yùn)行速度比預(yù)期慢10%,或者功耗比預(yù)期大10%,在市場(chǎng)上可能就沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力了,也就需要重新流片。

不少芯片巨頭都在流片上栽過(guò)跟頭,比如AMD的 Bulldozer(推土機(jī))架構(gòu)芯片、高通驍龍810芯片等。

AMD 的 Bulldozer?架構(gòu)于?2007 年開(kāi)始研發(fā),將兩個(gè)物理核心組成一個(gè)模塊,共享浮點(diǎn)單元和 L2 緩存,但實(shí)際性能未達(dá)預(yù)期。由于設(shè)計(jì)復(fù)雜,流片后性能不佳,前期研發(fā)費(fèi)用浪費(fèi),而英特爾同期推出的 Sandy Bridge 架構(gòu)處理器性能更優(yōu),搶占了市場(chǎng)份額。

高通驍龍810芯片是2015年推出的旗艦移動(dòng)處理器,但因采用先進(jìn)制程和高性能設(shè)計(jì),流片后出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)熱和高功耗問(wèn)題,導(dǎo)致手機(jī)過(guò)熱、降頻,用戶體驗(yàn)差。高通隨后進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化,而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星則憑借更穩(wěn)定、低功耗的Exynos處理器搶占了部分市場(chǎng)份額。

流片成功率下降,主要有四個(gè)原因。

一是,芯片越來(lái)越復(fù)雜。現(xiàn)在的芯片設(shè)計(jì)越來(lái)越多地采用多芯片組件,這些不同組件往往需要在不同的工藝節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)。以先進(jìn)的服務(wù)器芯片為例,計(jì)算核心采用5nm 工藝以實(shí)現(xiàn)更高性能和更低功耗,而存儲(chǔ)單元可能使用更成熟的 14nm 工藝以保證成本和穩(wěn)定性。這意味著需要協(xié)調(diào)多個(gè)代工廠和工藝技術(shù),增加了設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性。

二是,定制化芯片越來(lái)越多。定制化芯片是針對(duì)特定的數(shù)據(jù)類(lèi)型、算法或應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì),這使得芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作變得異常繁瑣。例如,用于深度學(xué)習(xí)推理的定制芯片,需要針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特定結(jié)構(gòu)和計(jì)算模式進(jìn)行優(yōu)化,從架構(gòu)設(shè)計(jì)到指令集開(kāi)發(fā)都需要重新規(guī)劃。

三是,企業(yè)開(kāi)發(fā)模式變了。過(guò)去,芯片開(kāi)發(fā)周期通常為18 個(gè)月左右,而現(xiàn)在企業(yè)為了保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,需要在更短的時(shí)間內(nèi)推出更多產(chǎn)品。許多芯片企業(yè)為了按時(shí)完成流片任務(wù),不得不壓縮設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)間,甚至在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化流程。設(shè)計(jì)中的潛在問(wèn)題無(wú)法被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決,增加了流片失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

四是,人工智能帶來(lái)的壓力。人工智能的快速發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體芯片的計(jì)算能力提出了極高的要求。AI 應(yīng)用需要芯片提供更高的算力,但目前的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證生產(chǎn)力并未有相應(yīng)的突破。這導(dǎo)致芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在有限的時(shí)間內(nèi)需要交付更復(fù)雜的設(shè)計(jì),增加了首次流片失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

半導(dǎo)體工程的編輯Brian Bailey在分析首次流片成功率降低的原因時(shí)也表示:“人工智能對(duì)芯片算力需求暴增,遠(yuǎn)超當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)和架構(gòu)的進(jìn)步速度。但開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證技術(shù)卻沒(méi)跟上,工程師只能用老工具,在更短時(shí)間內(nèi)完成更多工作,流片失敗也就不奇怪了。

上一次出現(xiàn)流片成功率降低還是在2018年。

在2018年之前,半導(dǎo)體行業(yè)的ASIC首次流片成功率也是維持在30%左右,但2018年直接降到了26%。FPGA的數(shù)據(jù)比較難統(tǒng)計(jì),但是可以看生產(chǎn)中漏掉的BUG數(shù)量。2018年,只有16%的FPGA項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)零BUG漏出,這其實(shí)比ASIC首次流片成功率的下降更加嚴(yán)重。

成功率下降的節(jié)點(diǎn),正是業(yè)內(nèi)大量設(shè)計(jì)從28nm遷移到14nm的時(shí)候,并且7nm當(dāng)時(shí)還在逐漸普及。并且,越來(lái)越多的芯片設(shè)計(jì)把安全當(dāng)作一個(gè)關(guān)鍵因素,汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域尤為突出。

?02芯片良率,難倒巨頭

芯片行業(yè)面臨流片成功率暴跌的嚴(yán)峻形勢(shì)下,即便成功完成流片,也并非萬(wàn)事大吉。流片只是芯片生產(chǎn)的開(kāi)端,后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)同樣挑戰(zhàn)重重,其中芯片良率低的問(wèn)題同樣棘手,成為制約芯片行業(yè)發(fā)展的又一大阻礙。

良率是半導(dǎo)體工廠的核心競(jìng)爭(zhēng)力所在,也被稱為是半導(dǎo)體工廠的“生命線”。

芯片良率,指合格芯片的數(shù)量與生產(chǎn)出的總芯片數(shù)量的比例。即:良率=合格芯片數(shù)量/生產(chǎn)的芯片總量 x 100%

例如,如果在一片晶圓上制造了1000個(gè)芯片,其中950個(gè)是合格的,那么良率就是:良率=(950/1000)×100%=95%

良率通常需要在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行多個(gè)階段的測(cè)量和計(jì)算,因?yàn)槊總€(gè)生產(chǎn)步驟都有可能引入缺陷,影響最終的良率。通常相應(yīng)芯片良率需要達(dá)到70%或更高才能進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)階段。

在行業(yè)內(nèi),即便強(qiáng)如臺(tái)積電、三星、英特爾這些巨頭,也被芯片良率問(wèn)題所困擾。

臺(tái)積電在先進(jìn)制程良率控制上表現(xiàn)較為出色。在2020年時(shí),臺(tái)積電在IEEE IEDM會(huì)議上披露,其5納米工藝的測(cè)試芯片平均良率為80%,峰值良率超過(guò)90%。

據(jù)MSN報(bào)道,臺(tái)積電3納米芯片良率高達(dá)80%以上。市場(chǎng)上的巨頭如蘋(píng)果、高通也都紛紛選擇了臺(tái)積電3nm。

臺(tái)積電2nm的信號(hào)比較積極。據(jù)了解,2nm制程技術(shù)在成熟度上取得了快速進(jìn)展,其缺陷密度率已與3nm和5nm相當(dāng),并采用了新的環(huán)繞柵極晶體管(GAAFET)架構(gòu)。與3nm增強(qiáng)版(N3E)相比,2nm制程的速度提升了10%至15%。目前,臺(tái)積電的2nm 制程的良率已達(dá)到 60% 以上。

相比之下,三星的情況則不容樂(lè)觀。2nm 工藝良率從年初的 20% - 30% 提升至 40% 以上,其首款采用2納米工藝的Exynos 2600芯片計(jì)劃于2025年11月量產(chǎn)。這與前文提到的臺(tái)積電60%的良率,還有差距。

3nm 工藝問(wèn)題更為突出。SF3E-3GAE(第一代3nm GAA工藝)的良率在50%~60%之間,未達(dá)到最初設(shè)定的70%目標(biāo)。SF3-3GAP(第二代3nm GAA工藝)良率更低,僅為20%左右,遠(yuǎn)低于預(yù)期目標(biāo),導(dǎo)致三星在3nm芯片代工市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足,甚至自家的Exynos 2500芯片也因良率問(wèn)題難產(chǎn)。

英特爾在良率數(shù)據(jù)披露上較為模糊,雖有副總裁表示Intel 4 制程良率高于預(yù)期,Intel 3 制程達(dá)成整體良率和性能目標(biāo),但天風(fēng)國(guó)際分析師郭明錤曾稱,2025 年初首批 Intel/IFS 18A 先進(jìn)制程生產(chǎn)的 Panther Lake 工程樣品良率不到 20% - 30%。

不過(guò)這一說(shuō)法遭到英特爾方面駁斥。英特爾投資者關(guān)系副總裁John Pitzer在摩根士丹利科技、媒體和電信會(huì)議上表示:“總體而言,我們認(rèn)為Intel 18A的水平能夠?qū)?biāo)臺(tái)積電的N3或者N2。我們正按計(jì)劃推進(jìn)Intel 18A ,并已宣布將在今年上半年完成首個(gè)外部客戶的流片工作?!?/p>

巨頭們?cè)谛酒悸噬系睦Ь常阋?jiàn)這一難題的棘手程度。

良率提不上去,原因是多方面的。

原材料上,硅片質(zhì)量、光刻膠均勻度、摻雜劑精度等都會(huì)影響良率,比如硅片有雜質(zhì)、光刻膠不均勻,都會(huì)導(dǎo)致芯片性能出問(wèn)題,而高質(zhì)量原材料不僅技術(shù)要求高,價(jià)格也貴。

制造環(huán)境和設(shè)備也很關(guān)鍵,芯片生產(chǎn)需要超潔凈環(huán)境,空氣中的顆粒都可能造成芯片缺陷,設(shè)備的穩(wěn)定性、精度和維護(hù)也很重要,引入新設(shè)備成本高,還可能存在技術(shù)適配問(wèn)題。工藝技術(shù)上,光刻、蝕刻等流程復(fù)雜,現(xiàn)有工藝優(yōu)化空間有限,新技術(shù)如極紫外光刻(EUV)又面臨技術(shù)和成本難題。

此外,質(zhì)量管控不到位,生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)收集和分析不及時(shí),就沒(méi)法提前發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題,導(dǎo)致缺陷難以糾正。

?03結(jié)語(yǔ)

芯片流片成功率暴跌和良率提升困難,是當(dāng)前芯片行業(yè)必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。

提高流片成功率,要優(yōu)化設(shè)計(jì),可以用AI 輔助設(shè)計(jì),提高準(zhǔn)確性;加強(qiáng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證,提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。還要重視人才培養(yǎng),提升工程師的專業(yè)能力。同時(shí),芯片設(shè)計(jì)企業(yè)要和晶圓代工廠EDA 供應(yīng)商加強(qiáng)合作,整合產(chǎn)業(yè)鏈資源。

提升芯片良率,要改良制程,優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝控制。在設(shè)備和材料上,升級(jí)設(shè)備、選用優(yōu)質(zhì)原材料。技術(shù)創(chuàng)新也很重要,利用AI 和大數(shù)據(jù)監(jiān)控生產(chǎn)線,探索新材料、新工藝。還要建立嚴(yán)格的質(zhì)量管控體系,從原材料采購(gòu)到成品全流程監(jiān)控。

這些問(wèn)題的解決,需要各方從技術(shù)、人才、產(chǎn)業(yè)鏈等多方面努力。

相關(guān)推薦

登錄即可解鎖
  • 海量技術(shù)文章
  • 設(shè)計(jì)資源下載
  • 產(chǎn)業(yè)鏈客戶資源
  • 寫(xiě)文章/發(fā)需求
立即登錄

公眾號(hào):半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫。立足產(chǎn)業(yè)視角,提供及時(shí)、專業(yè)、深度的前沿洞見(jiàn)、技術(shù)速遞、趨勢(shì)解析,鏈接產(chǎn)業(yè)資源,構(gòu)建IC生態(tài)圈,賦能中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),我們一直在路上。