供应链频出招 14/16nm制程竞赛更趋激烈
先进制程市场战火升温。看好14/16奈米晶片开发庞大商机，不仅晶圆代工厂近期频频出招、扩大布局，电子设计自动化(EDA)业者和制程设备制造商，也竞相发动新的产品和市场攻势，让先进制程市场战况愈演愈烈。
先进制程技术争霸战再掀战火。Altera与晶圆代工合作夥伴英特尔(Intel)日前宣布，已完成奠基于英特尔14奈米(nm)三闸极(Tri-Gate)制程技术的现场可编程闸阵列(FPGA)测试晶片，在先进制程竞赛中拔得头筹。
Altera研发资深副总裁Brad Howe表示，这项成果对Altera及客户而言皆系重要的里程碑。透过测试14奈米Tri-Gate制程的矽晶片的重要成分，可让该公司在设计初期验证元件效能，并显著加快14奈米产品上市时间。
据了解，Altera此次发表的Stratix 10 FPGA与系统单晶片(SoC)的测试晶片内建数种关键矽智财(IP)，包括收发器(Transceiver)、混合讯号IP及数位逻辑等区块;Altera全面性的晶片测试计划，系利用创新的制程改善与电路设计方法，在最终产品投片(Tape Out)之前，验证Altera IP的运作情形，藉此降低制造风险。
Altera指出，与鳍式电晶体(FinFET)方案相较，英特尔第二代的14奈米Tri-Gate制程提供晶片尺寸缩小的优势，因此，Altera下一代的FPGA及SoC方案皆可实现理想效能、功耗、高整合度及成本优势。
英特尔客制晶圆厂副总裁与总经理Sunit Rikhi指出，自从Altera与英特尔于2013年宣布晶圆代工合作关系后，双方已达成许多重要的里程碑，而此次成果系另一个具代表性的时刻。藉由成功展示Altera利用英特尔14奈米Tri-Gate制程制造的FPGA技术的功能，可实际证明双方团队合作无间。
在英特尔的14奈米Tri-Gate制程以及增强高效能核心架构的助力下，Stratix 10 FPGA和SoC将系业界第一颗GHz等级的FPGA，可提供较现行高阶FPGA方案高两倍的核心效能(图1)，对于有严格功耗预算的高效能应用系统，如通讯、军事、广播、运算及储存市场等，Stratix 10系列产品可大幅降低系统功耗，最高可达70%。
图1 Stratix 10与上一代FPGA效能比较
事实上，2014年将系各大晶圆代工厂于先进制程竞赛中催紧油门的重要关键。除英特尔已携手Altera率先让14奈米制程产品亮相，台积电也与另一家FPGA大厂赛灵思(Xilinx)密切合作，基于台积电16奈米FinFET制程推出FinFast专案，预计于今年投产;台积电于5月13日召开的董事会，已核准新台币171亿378万元做为建置、转换与升级先进制程产能的资本预算，同时亦核准研发资本预算与经常性资本预算约新台币32亿2,070万元。
至于另外两家具备先进制程技术的晶圆代工厂三星(Samsung)与格罗方德(GLOBALFOUNDRIES)，则于日前宣布策略合作，三星所开发的14奈米FinFET制程技术，将授权给格罗方德，并将量产地点分散于三星的韩国华城、德州(Texas)奥斯汀(Austin)晶圆厂及格罗方德位于纽约州(New York)萨拉托加(Saratoga)的晶圆厂，藉此确保客户拥有多个生产源头，提供供货保障，而双方计划于2014年年底将14奈米FinFET制程推进至正式量产的进度。
看好今年积体电路(IC)设计厂商将大量拉货，除晶圆代工厂积极投资先进制程产能，电子设计自动化(EDA)厂商益华电脑(Cadence)也持续扩大于半导体先进制程的投资规模。
扩大投资范围 益华抢占先进制程商机
益华电脑为持续巩固于先进制程市场的地位，除与台积电保持密切合作外，更将加强IP阵容、设计工具以及印刷电路板(PCB)设计技术优势，并转型成为系统设计实现(System Design Enablement)厂商，建立独特竞争优势。
益华电脑总裁暨执行长陈立武表示，包括台积电、三星及格罗方德均十分看好FinFET技术未来的发展，皆将于16/14奈米制程中采用，因此益华电脑将全力投资FinFET及三维(3D)IC的设计技术，其中包括IP、设计工具及PCB设计三大方向。
陈立武进一步指出，该公司去年大规模并购多家IP厂商，包括Cosmic Circuits、Tensilica、Evatronix的IP事业，以及传威(TranSwitch)的高速介面IP资产，拓展IP产品阵容，因而在Gartner的IP市场排名报告中，从2012年的十名之外迅速跃升至第四名的地位。
陈立武强调，该公司的IP聚焦于记忆体、高速传输介面、音讯及影像应用，大致上可分两个种类，其一是验证(Verification)IP，其二则是设计(Design)IP，后者已获得超过十家以上客户青睐，且将于FinFET制程中采用，因此未来持续提升IP阵容将是重要经营方向(图2)。
图2 益华电脑正积极扩充IP阵容
此外，针对FinFET制程元件的设计需求，益华电脑将着重于创新设计平台的开发，例如Tempus时序(Timing)Signoff解决方案及Voltus IC电源完整性(Power Integrity)解决方案等，前者可大量平行分散处理，供Signoff静态时序分析，后者的效能则比现有方案快十倍。
事实上，益华电脑已于日前宣布其数位与客制(Custom)/类比(Analog)工具通过台积电16奈米FinFET制程的V1.0设计参考手册(DRM)与SPICE认证，因此双方客户可以利用益华电脑的设计工具，将以FinFET制程为基础的设计投入试产。
值得关注的是，益华电脑未来将由传统EDA工具供应商的角色，转变成为系统设计实现公司，因此该公司除聚焦系统单晶片的开发外，也开始注重封装、电路板、软体与系统层IP等系统元件的设计、整合、分析及验证。
举例而言，益华电脑于2012年并购Sigrity后，将讯号完整性分析功能整合至Allegro PCB产品系列中，而现在针对电路板的设计需求，该公司可以透过Allegro套装、电路板设计产品以及Sigrity分析工具，提供整合式设计、分析与Signoff解决方案。
陈立武强调，16奈米制程中有高达八成的SoC开发成本系来自于软体、验证与确认，而益华电脑未来将推动混合式(Hybrid)的验证方法，结合虚拟平台模型与模拟(Emulation)功能。例如展讯及联发科皆已采用该公司的Palladium XP模拟平台，实现SoC验证与系统级验证，其中尚包括韧体(Firmware)及作业系统(OS)等软体验证项目，藉此可缩短至少6个月的上市前置时间。
正当EDA厂商加紧投资先进制程产品阵容同时，晶圆检测方案业者也开始紧锣密鼓打造最适合14/16奈米及以下制程的设备阵容;其中，电子束检测设备的吞吐量由于目前仍无法符合量产需求，因此光学晶圆检测方案仍系先进制程市场主流。
电子束吞吐量偏低 光学检测仍居主流
近年来晶圆代工业者为因应先进制程电晶体微缩的设计挑战，纷纷导入电子束晶圆缺陷检测(E-beam Inspection)设备，然而电子束设备于吞吐量的表现仍不理想，因而在先进制程市场中多用于研发端，制造端则仍由传统光学晶圆检测方案为主流。
图3 科磊总裁暨执行长Rick Wallace指出，由于成本效益的考量，多家晶圆代工产业的重要客户已开始降低电子束方案的使用比例。
科磊(KLA-Tencor)总裁暨执行长Rick Wallace(图3)表示，对晶圆代工厂而言，决定采用光学晶圆检测技术或电子束方案的决定因素有两大面向--最低的价格与能检测出关键缺陷的效能，而前者须将光学检测及电子束方案两者的吞吐量纳入考量。现阶段，电子束检测速度较光学晶圆检测方案慢上一百倍至一千倍，因此就总体产能而言，电子束技术仍仅能满足研发端的制程控制需求，并非具备成本效益的制造端理想方案。
根据摩根大通(J.P. Morgan)集团市场研究报告，2005?2013年光学图形化晶圆检测(Patterned Wafer Inspection, PWI)方案与电子束PWI方案的市占变化不大，前者由86.1%上升至88.2%，亦即直至去年，电子束方案的市占仍顶多一成多，且有下降趋势(图4)。
图4 2005～2013年电子束与光学晶圆检测方案市占变化
Wallace指出，由于电子束方案目前在制造端的能见度仍偏低，因此未来几年仍将维持上述比例，不过，随着先进制程元件制造步骤愈来愈冗杂，客户对制程控制设备的投资亦显著增加，因此电子束方案出货量增加同时，光学检测方案为科磊所挹注的营收亦不在话下，预计今年光学检测部门营收将创下历史新高，而为延续营收走势，该公司每年将持续投资17%的收入比重于先进制程技术的研发用途上。
事实上，无论是科磊或应用材料(Applied Materials)皆已开始开发可以检测出7奈米以下晶圆缺陷的光学检测系统，包括提升敏感度(Sensitivity)及吞吐量，其中，敏感度系指设备检测出晶片或晶圆特定位置上异常处(Anomaly)的能力，且上述两间公司的设备皆已可以达到每小时一至五片晶圆的吞吐量。
反观电子束检测技术，虽具备解析度(Resolution)优势，但受限于检测速度较光学方案慢上百倍以上，因此电子束于未来3?5年仍仅能担纲PWI市场的配角。目前单一电子束检测系统多半与光学方案搭配，用在研发及试产(Pilot Production)阶段，而未来就算新一代的多重光束电子束(Multi Column E-beam)技术成熟，与竞争方案间的差距仍将未能大幅度拉近。
摩根大通研究报告指出，2013年PWI市场规模为160亿美元，且未来3?5年将以10?15%的速度持续扩张，而至7奈米制程节点时代来临之前，明场(Bright Field)/宽频(Broadband)光学检测系统将仍系晶圆代工业者主要采用工具。
由于先进制程技术复杂度大幅提升，不仅电晶体微缩，且架构亦从平面升级至3D，可预见的是，半导体产业供应链将投注较以往更多的研发资金，加速于先进制程市场插旗，而无论是EDA厂、IC设计商、晶圆代工厂与竞争对手间的战火也将一触即发。
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