提到代工廠，我們最熟悉的莫過于臺積電，英特爾，三星或GlobalFoundries等大公司。許多人甚至可能從未聽說過SkyWater，因為它是幾年前才從賽普拉斯半導(dǎo)體公司中分離出來的。諸如前三大代工廠都在追逐先進工藝，而SkyWater卻不緊不慢，至今其主要經(jīng)營著一個相對較小的200毫米工廠，正從90nm制造工藝開始啟動業(yè)務(wù)。但它卻已經(jīng)開始與谷歌組建伙伴關(guān)系、推進半導(dǎo)體生產(chǎn)，且已經(jīng)獲得了美國國防部的訂單。今天就讓我們來了解下SkyWater這家美國獨資的純代工廠。
SkyWater公司
不追逐工藝的代工廠SkyWater
SkyWater工廠最初由位于明尼蘇達州的Control Data Corporation（CDC）在1980年代建立。CDC晶圓廠于1991年被賽普拉斯半導(dǎo)體公司收購。在賽普拉斯時代，該工廠進行了多次擴建和升級，在2000年代末一直與摩爾定律保持同步，并以位于美國的生產(chǎn)設(shè)施與亞洲的晶圓廠競爭而聞名。SkyWater于2017年從賽普拉斯（Cypress）拆分出來，得到了明尼蘇達州Oxbow Industries的私募股權(quán)支持。
2017年從賽普拉斯半導(dǎo)體公司中分離出來的SkyWater收購了位于明尼蘇達州布盧明頓市的賽普拉斯公司（如今的英飛凌）的工廠，開啟了Foundry業(yè)務(wù)之路。SkyWater是唯一一家美國國內(nèi)的純代工公司，因此它是美國國防部可信賴的代工計劃的一部分，以在美國境內(nèi)提供安全的供應(yīng)來源。其業(yè)務(wù)始于130nm，而今年開始提供90nm服務(wù)。SkyWater目前使用90納米技術(shù)生產(chǎn)集成電路（IC或“芯片”）。
而IBM和英特爾早在2002年就開始首次生產(chǎn)90 nm芯片，TSMC于2004年推出直徑300 mm的晶圓。但SkyWater仍在使用200毫米晶圓。此外，SkyWater還在研究將銅互連引入其芯片工藝，而IBM早在1997年左右推出了一些首批銅互聯(lián)工藝的PowerPC微處理器。
也許從工藝上來看，SkyWater并沒有那么亮眼，但是SkyWater與fab所做的事情，以及與他們合作的企業(yè)卻饒有興趣。Skywater正在為D-Wave的量子計算機制造量子比特，這個項目在它還是賽普拉斯公司的一部分時就開始了。當然這并不是一個大容量的產(chǎn)品，如果你有一個小型的專業(yè)工廠，你也可以獲得像D-Wave這樣的客戶。SkyWater還在為DNA測序機制造微流控芯片，這是研究SARS-CoV-2流行病學(xué)的科學(xué)家們的熱門商品。
SkyWater愿意嘗試各種試驗。作為美國國防高級研究計劃局（DARPA）電子復(fù)蘇計劃的一部分，該公司正在與麻省理工學(xué)院（MIT）的一個研究小組合作，在其生產(chǎn)線上制造碳納米管（CNT）晶體管。2018年DARPA的電子復(fù)興計劃中有一個項目脫穎而出，那就是通過密集和細粒度的單片3D集成實現(xiàn)計算系統(tǒng)的革命，它的目標是使用單片3D集成將使用了數(shù)十年之久的制造工藝的芯片，與使用當今尖端技術(shù)（如7nm）制造的芯片競爭。該項目基于允許將碳納米管晶體管和電阻式RAM存儲器構(gòu)建在普通CMOS邏輯芯片之上的技術(shù)。
要想生產(chǎn)這項技術(shù)SkyWater是唯一的選擇，一方面DARPA熱衷于將這項技術(shù)保留在美國；更重要的是，并不是每個工廠都愿意使用非標準材料，例如碳納米管，如果處理不當，可能會污染其他客戶的產(chǎn)品。
2020年8月18日，SkyWater 宣布與美國麻省理工學(xué)院（MIT）合作的DARPA三維單片系統(tǒng)芯片（3D SoC）計劃已進入第二階段。在完成該計劃的初始階段后，第二階段的重點是將基于碳納米管場效應(yīng)晶體管（CNFET）的3D SoC技術(shù)轉(zhuǎn)移到SkyWater的200 mm生產(chǎn)設(shè)施中，第二階段的重點是改善制造質(zhì)量，產(chǎn)量，性能和密度。3DSoC計劃旨在改變數(shù)十年來一直作為標準的成本/性能基準。預(yù)計這一新范例將在自動駕駛汽車，醫(yī)療/保健診斷，邊緣計算，可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的用例中加速AI和高級計算。
麻省理工學(xué)院和SkyWater整合代工的工作最近發(fā)表在《自然電子》上，論證了在與制造硅基晶體管相同的商業(yè)設(shè)施中，在200毫米晶圓上批量生產(chǎn)CNT所采用的方法。將CNT從實驗室?guī)У焦S車間的這一重要步驟為更節(jié)能的3D微處理器鋪平了道路。值得注意的是，該技術(shù)能夠?qū)⒒贑NT的邏輯和RRAM的可堆疊層進行單片集成，以實現(xiàn)高密度，高帶寬SoC架構(gòu)，并且全部采用低溫制造技術(shù)。
SkyWater的首席技術(shù)官Brad Ferguson博士說：“我們很高興能與麻省理工學(xué)院一起繼續(xù)這一旅程，以實現(xiàn)碳納米管技術(shù)對半導(dǎo)體行業(yè)的獨特承諾，這將對整個商業(yè)和國防工業(yè)中的人工智能和前沿計算應(yīng)用產(chǎn)生突破性影響。”
“邁出這一巨大的步伐并在代工環(huán)境中達到里程碑，使這種飛躍進入生產(chǎn)真的很令人興奮。這標志著業(yè)界需要時間將碳納米管作為比硅基晶體管更加節(jié)能的替代品，并為這種突破性技術(shù)準備產(chǎn)品路線圖?！甭槭±砉W(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)教授Dr. Max Shulake說。
對于新技術(shù)的開發(fā)者來說，在商業(yè)生產(chǎn)線上證明自己的可行性一直是至關(guān)重要的，而在美國，愿意這樣做的半導(dǎo)體工廠已經(jīng)所剩無幾，而Skywater卻可以在幫助推進新技術(shù)方面發(fā)揮重要作用。對于美國的學(xué)術(shù)和研究實驗室來說，獲得這種實驗的生產(chǎn)設(shè)備至關(guān)重要。
已故的保羅·格雷，受人愛戴的麻省理工學(xué)院前校長曾說過，他最大的遺憾之一就是沒有在關(guān)鍵時刻為學(xué)院投資一個半導(dǎo)體設(shè)備廠，讓學(xué)院的科學(xué)家有機會進行研究和工藝創(chuàng)新。
2020年6月，GlobalFoundries和SkyWater與美國政府達成了一項協(xié)議，為美國的國防基礎(chǔ)設(shè)施提供半導(dǎo)體。兩家晶圓代工廠將合作設(shè)計和制造微電子產(chǎn)品，以增強國防部門的技術(shù)領(lǐng)先地位和國內(nèi)芯片供應(yīng)。
2020年11月12日，Google與SkyWater和Efabless合作，實現(xiàn)定制ASIC的開源制造。Google贊助的開源多項目晶圓（MPW）航天飛機將接受設(shè)計提交，這些航天飛機將在SkyWater上運行。首個晶圓代工廠支持的開源工藝設(shè)計套件（PDK）支持130 nm混合信號CMOS技術(shù)（SKY130工藝），從而啟用了MPW程序。該計劃將為定制的專用集成電路（ASIC）提供完整的開源制造供應(yīng)鏈，并且在FOSSi（自由和開源硅）基金會進行的一系列演講中進行了討論，包括Google和Efabless的演講。
SkyWater堅持使用成熟的技術(shù)，避免了尖端工藝的大量投資。如今，使用65納米或90納米技術(shù)制造的芯片數(shù)量驚人，尤其是用于電話和無線設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及汽車應(yīng)用的無線電芯片。由于這是一項成熟的技術(shù)，制造設(shè)備可能會完全貶值，因此從成本的角度來看，該工藝是相當有吸引力的。再者，臺積電的的先進7nm、5nm業(yè)務(wù)也僅占銷售額的近一半，剩下一半的銷售額還是由其他工藝貢獻。
此外如模擬半導(dǎo)體、功率半導(dǎo)體等都不需要微縮化，甚至如果把7nm工藝應(yīng)用到某些產(chǎn)品中，反而會降低其功能。但是，就半導(dǎo)體而言，還是微縮化程度越高，性能越好，因此還是要發(fā)展微縮化。
不追逐工藝是不可能的
2019年，美國國防部向SkyWater提供高達1.7億美元的資金，以幫助其擴張，這主要是因為軍方希望提高輻射硬化芯片的生產(chǎn)，這就是所謂的rad-hard。它們用于惡劣的工作環(huán)境中，例如在外太空中，輻射會使普通芯片失效。這也是自1995年以來該公司的第一次物理擴展。
有了新的潔凈室，SkyWater將首次能夠制造使用銅互連的芯片，這種材料對于尺寸更小，電路更多的芯片更有用。目前SkyWater正在使用銅升級，以方便在一個封裝中堆疊多個芯片。這是一種增加單個芯片封裝中電路數(shù)量的廉價方法，它使用的是不太先進的硅工藝。有了新的潔凈室和銅互連技術(shù)，SkyWater最終將能夠制造65納米或更小尺寸的芯片。這項工藝臺積電是在2005年左右開始提供。
SkyWater Technology正在為其位于布盧明頓的工廠的正面增加第三個潔凈室。藍色區(qū)域是構(gòu)建擴展的位置。
今年11月25日，Multibeam宣布與SkyWater建立合作伙伴關(guān)系，將其Multicolumn電子束光刻（MEBL）系統(tǒng)部署到SkyWater擴展后的制造工廠中，以支持其45納米制造能力的路線圖。
MEBL系統(tǒng)定于2021年推出，將能夠在45 nm及更高波長下進行全晶圓，全掩模的圖案形成。它是由美國國防部（DoD）授予的一項3800萬美元的合同資助的，該項目由空軍研究實驗室管理。
這項“安全光刻”技術(shù)旨在對45nm及更大節(jié)點上的整個晶圓進行圖案化，而無需使用用于線后（BEOL）的任何掩模，旨在用于“小批量，高混合量”芯片通常是為國防部生產(chǎn)的。光刻設(shè)備的領(lǐng)導(dǎo)者往往對少量，種類繁多的芯片沒有興趣，因為他們的業(yè)務(wù)面向大批量生產(chǎn)。
市場對具有“成熟”節(jié)點的早期芯片的需求仍在繼續(xù)，但盡管此類節(jié)點的掩碼較便宜，但與掩碼相關(guān)的成本往往很高。需求較低的掩模通常會有較長的交貨期，這將對生產(chǎn)中的晶圓廠生產(chǎn)率以及新芯片開發(fā)中的學(xué)習周期產(chǎn)生負面影響。
IoT芯片生產(chǎn)面臨著類似的挑戰(zhàn)，因為它們通常是小型，簡單的SoC，可以執(zhí)行特定任務(wù)并且在Internet上無處不在。總體而言，物聯(lián)網(wǎng)芯片制造商是大批量生產(chǎn)商，但由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用多樣且物聯(lián)網(wǎng)市場分散，它們的批量規(guī)模相對較小。
“在產(chǎn)品開發(fā)中，MEBL減少了原型制作的成本和時間，因為‘重新設(shè)計’不再需要新的掩模，” Multibeam董事長David Lam解釋說?！坝捎谖覀兊腗EBL系統(tǒng)中的所有電子束色譜柱都是獨立且并行編寫的，因此它們能夠生產(chǎn)比典型光學(xué)視場還大的多項目晶圓和芯片。我們通用的MEBL系統(tǒng)設(shè)計的吞吐能力顯著超越了單透鏡電子束方法可支持批量生產(chǎn)?！?/p>
結(jié)語
無論是美國吸引臺積電去美建廠，還是大力支持SkyWater的擴建發(fā)展，都體現(xiàn)了美國對代工廠的看重。半導(dǎo)體工廠極具前景，是可以長期發(fā)展的業(yè)務(wù)類型。如今，SkyWater正按照自己的步伐穩(wěn)步前進中。