不追逐工艺的代工厂SkyWater

提到代工厂，我们最熟悉的莫过于台积电，英特尔，三星或GlobalFoundries等大公司。许多人甚至可能从未听说过SkyWater，因为它是几年前才从赛普拉斯半导体公司中分离出来的。诸如前三大代工厂都在追逐先进工艺，而SkyWater却不紧不慢，至今其主要经营着一个相对较小的200毫米工厂，正从90nm制造工艺开始启动业务。但它却已经开始与谷歌组建伙伴关系、推进半导体生产，且已经获得了美国国防部的订单。今天就让我们来了解下SkyWater这家美国独资的纯代工厂。

不追逐工艺的代工厂SkyWater

SkyWater工厂最初由位于明尼苏达州的Control Data Corporation（CDC）在1980年代建立。CDC晶圆厂于1991年被赛普拉斯半导体公司收购。在赛普拉斯时代，该工厂进行了多次扩建和升级，在2000年代末一直与摩尔定律保持同步，并以位于美国的生产设施与亚洲的晶圆厂竞争而闻名。SkyWater于2017年从赛普拉斯（Cypress）拆分出来，得到了明尼苏达州Oxbow Industries的私募股权支持。

2017年从赛普拉斯半导体公司中分离出来的SkyWater收购了位于明尼苏达州布卢明顿市的赛普拉斯公司（如今的英飞凌）的工厂，开启了Foundry业务之路。SkyWater是唯一一家美国国内的纯代工公司，因此它是美国国防部可信赖的代工计划的一部分，以在美国境内提供安全的供应来源。其业务始于130nm，而今年开始提供90nm服务。SkyWater目前使用90纳米技术生产集成电路（IC或“芯片”）。

而IBM和英特尔早在2002年就开始首次生产90 nm芯片，TSMC于2004年推出直径300 mm的晶圆。但SkyWater仍在使用200毫米晶圆。此外，SkyWater还在研究将铜互连引入其芯片工艺，而IBM早在1997年左右推出了一些首批铜互联工艺的PowerPC微处理器。

也许从工艺上来看，SkyWater并没有那么亮眼，但是SkyWater与fab所做的事情，以及与他们合作的企业却饶有兴趣。Skywater正在为D-Wave的量子计算机制造量子比特，这个项目在它还是赛普拉斯公司的一部分时就开始了。当然这并不是一个大容量的产品，如果你有一个小型的专业工厂，你也可以获得像D-Wave这样的客户。SkyWater还在为DNA测序机制造微流控芯片，这是研究SARS-CoV-2流行病学的科学家们的热门商品。

SkyWater愿意尝试各种试验。作为美国国防高级研究计划局（DARPA）电子复苏计划的一部分，该公司正在与麻省理工学院（MIT）的一个研究小组合作，在其生产线上制造碳纳米管（CNT）晶体管。2018年DARPA的电子复兴计划中有一个项目脱颖而出，那就是通过密集和细粒度的单片3D集成实现计算系统的革命，它的目标是使用单片3D集成将使用了数十年之久的制造工艺的芯片，与使用当今尖端技术（如7nm）制造的芯片竞争。该项目基于允许将碳纳米管晶体管和电阻式RAM存储器构建在普通CMOS逻辑芯片之上的技术。

要想生产这项技术SkyWater是唯一的选择，一方面DARPA热衷于将这项技术保留在美国；更重要的是，并不是每个工厂都愿意使用非标准材料，例如碳纳米管，如果处理不当，可能会污染其他客户的产品。

2020年8月18日，SkyWater 宣布与美国麻省理工学院（MIT）合作的DARPA三维单片系统芯片（3D SoC）计划已进入第二阶段。在完成该计划的初始阶段后，第二阶段的重点是将基于碳纳米管场效应晶体管（CNFET）的3D SoC技术转移到SkyWater的200 mm生产设施中，第二阶段的重点是改善制造质量，产量，性能和密度。3DSoC计划旨在改变数十年来一直作为标准的成本/性能基准。预计这一新范例将在自动驾驶汽车，医疗/保健诊断，边缘计算，可穿戴设备和物联网应用的用例中加速AI和高级计算。

麻省理工学院和SkyWater整合代工的工作最近发表在《自然电子》上，论证了在与制造硅基晶体管相同的商业设施中，在200毫米晶圆上批量生产CNT所采用的方法。将CNT从实验室带到工厂车间的这一重要步骤为更节能的3D微处理器铺平了道路。值得注意的是，该技术能够将基于CNT的逻辑和RRAM的可堆叠层进行单片集成，以实现高密度，高带宽SoC架构，并且全部采用低温制造技术。

SkyWater的首席技术官Brad Ferguson博士说：“我们很高兴能与麻省理工学院一起继续这一旅程，以实现碳纳米管技术对半导体行业的独特承诺，这将对整个商业和国防工业中的人工智能和前沿计算应用产生突破性影响。”

“迈出这一巨大的步伐并在代工环境中达到里程碑，使这种飞跃进入生产真的很令人兴奋。这标志着业界需要时间将碳纳米管作为比硅基晶体管更加节能的替代品，并为这种突破性技术准备产品路线图。”麻省理工学院电气工程与计算机科学教授Dr. Max Shulake说。

对于新技术的开发者来说，在商业生产线上证明自己的可行性一直是至关重要的，而在美国，愿意这样做的半导体工厂已经所剩无几，而Skywater却可以在帮助推进新技术方面发挥重要作用。对于美国的学术和研究实验室来说，获得这种实验的生产设备至关重要。

已故的保罗·格雷，受人爱戴的麻省理工学院前校长曾说过，他最大的遗憾之一就是没有在关键时刻为学院投资一个半导体设备厂，让学院的科学家有机会进行研究和工艺创新。

2020年6月，GlobalFoundries和SkyWater与美国政府达成了一项协议，为美国的国防基础设施提供半导体。两家晶圆代工厂将合作设计和制造微电子产品，以增强国防部门的技术领先地位和国内芯片供应。

2020年11月12日，Google与SkyWater和Efabless合作，实现定制ASIC的开源制造。Google赞助的开源多项目晶圆（MPW）将接受设计提交，这些MPW将在SkyWater上运行。首个晶圆代工厂支持的开源工艺设计套件（PDK）支持130 nm混合信号CMOS技术（SKY130工艺），从而启用了MPW计划。该计划将为定制的专用集成电路（ASIC）提供完整的开源制造供应链，并且在FOSSi（自由和开源硅）基金会进行的一系列演讲中进行了讨论，包括Google和Efabless的演讲。

SkyWater坚持使用成熟的技术，避免了尖端工艺的大量投资。如今，使用65纳米或90纳米技术制造的芯片数量惊人，尤其是用于电话和无线设备、物联网设备以及汽车应用的无线电芯片。由于这是一项成熟的技术，制造设备可能会完全贬值，因此从成本的角度来看，该工艺是相当有吸引力的。再者，台积电的的先进7nm、5nm业务也仅占销售额的近一半，剩下一半的销售额还是由其他工艺贡献。

此外如模拟半导体、功率半导体等都不需要微缩化，甚至如果把7nm工艺应用到某些产品中，反而会降低其功能。但是，就半导体而言，还是微缩化程度越高，性能越好，因此还是要发展微缩化。

不追逐工艺是不可能的

2019年，美国国防部向SkyWater提供高达1.7亿美元的资金，以帮助其扩张，这主要是因为军方希望提高辐射加固芯片的生产，这就是所谓的rad-hard。它们用于恶劣的工作环境中，例如在外太空中，辐射会使普通芯片失效。这也是自1995年以来该公司的第一次物理扩展。

有了新的洁净室，SkyWater将首次能够制造使用铜互连的芯片，这种材料对于尺寸更小，电路更多的芯片更有用。目前SkyWater正在使用铜升级，以方便在一个封装中堆叠多个芯片。这是一种增加单个芯片封装中电路数量的廉价方法，它使用的是不太先进的硅工艺。有了新的洁净室和铜互连技术，SkyWater最终将能够制造65纳米或更小尺寸的芯片。这项工艺台积电是在2005年左右开始提供。

今年11月25日，Multibeam宣布与SkyWater建立合作伙伴关系，将其Multicolumn电子束光刻（MEBL）系统部署到SkyWater扩展后的制造工厂中，以支持其45纳米制造能力的路线图。

MEBL系统定于2021年推出，将能够在45 nm及更高波长下进行全晶圆，全掩模的图案形成。它是由美国国防部（DoD）授予的一项3800万美元的合同资助的，该项目由空军研究实验室管理。

这项“安全光刻”技术旨在对45nm及更大节点上的整个晶圆进行图案化，而无需使用用于线后（BEOL）的任何掩模，旨在用于“小批量，高混合量”芯片通常是为国防部生产的。光刻设备的领导者往往对少量，种类繁多的芯片没有兴趣，因为他们的业务面向大批量生产。

市场对具有“成熟”节点的早期芯片的需求仍在继续，但尽管此类节点的掩码较便宜，但与掩码相关的成本往往很高。需求较低的掩模通常会有较长的交货期，这将对生产中的晶圆厂生产率以及新芯片开发中的学习周期产生负面影响。

IoT芯片生产面临着类似的挑战，因为它们通常是小型，简单的SoC，可以执行特定任务并且在Internet上无处不在。总体而言，物联网芯片制造商是大批量生产商，但由于物联网应用多样且物联网市场分散，它们的批量规模相对较小。

“在产品开发中，MEBL减少了原型制作的成本和时间，因为‘重新设计’不再需要新的掩模，” Multibeam董事长David Lam解释说。“由于我们的MEBL系统中的所有电子束色谱柱都是独立且并行编写的，因此它们能够生产比典型光学视场还大的多项目晶圆和芯片。我们通用的MEBL系统设计的吞吐能力显着超越了单透镜电子束方法可支持批量生产。”

结语

无论是美国吸引台积电去美建厂，还是大力支持SkyWater的扩建发展，都体现了美国对代工厂的看重。半导体工厂极具前景，是可以长期发展的业务类型。如今，SkyWater正按照自己的步伐稳步前进中。

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