海思麒麟990采用了7nm工藝，阿里平頭哥號(hào)稱(chēng)最強(qiáng)AI芯的含光800也采用了7nm工藝。在這些令人振奮的消息背后，是中國(guó)芯片公司追逐先進(jìn)工藝的堅(jiān)定步伐。
只是這條路并非一帆風(fēng)順，在芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程中，就要面臨技術(shù)如何升級(jí)、能否首次流片成功等諸多風(fēng)險(xiǎn)，而在正式量產(chǎn)之后，還要面對(duì)良率提升和工藝穩(wěn)定的重大挑戰(zhàn)。
面對(duì)良率提升這個(gè)問(wèn)題，國(guó)產(chǎn)FPGA廠商上海安路科技聯(lián)合創(chuàng)始人徐春華表示：“在我們提升良率面對(duì)的挑戰(zhàn)中，最主要的就是制造工藝的穩(wěn)定性。”
追逐先進(jìn)工藝的煩惱
在半導(dǎo)體工藝世界中，晶圓廠總是一個(gè)領(lǐng)跑者。以臺(tái)積電為例，當(dāng)蘋(píng)果的A13、高通的驍龍865、海思的麒麟990剛采用7nm工藝量產(chǎn)的時(shí)候，5nm工藝的研發(fā)已經(jīng)初步就緒，甚至連3nm的工藝研究也已經(jīng)箭在弦上。頂尖的芯片公司尚比晶圓廠的步調(diào)差半拍，大部分芯片公司就只能苦苦追趕了。
“在芯片在大規(guī)模量產(chǎn)以后，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)良率波動(dòng)的問(wèn)題。”徐春華認(rèn)為原因就是產(chǎn)品研發(fā)與晶圓廠現(xiàn)有工藝存在了“時(shí)間差”。“現(xiàn)在生產(chǎn)的產(chǎn)品都是基于幾年前設(shè)計(jì)規(guī)則開(kāi)發(fā)的，雖然晶圓廠當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)則會(huì)根據(jù)理論分析和有限實(shí)驗(yàn)增加工藝波動(dòng)裕量，但是后續(xù)實(shí)際加工過(guò)程中的各種工藝波動(dòng)和當(dāng)初的理論模型肯定會(huì)有差異甚至漏洞，從而造成大規(guī)模生產(chǎn)中出現(xiàn)良率波動(dòng)。”
這也是設(shè)計(jì)公司和晶圓廠之間永遠(yuǎn)存在的矛盾。“晶圓廠先前制定的規(guī)則不能匹配目前的工藝狀況，比如說(shuō)線寬、間隔這些參數(shù)在不同的時(shí)間、不同的機(jī)臺(tái)上就會(huì)有所不同要求，由于規(guī)則所給定的裕量不夠，會(huì)在生產(chǎn)中產(chǎn)生各種問(wèn)題。”
同時(shí)，隨著工藝水平的提升，掌控良率的條件也越來(lái)越嚴(yán)苛，因此要對(duì)良率進(jìn)行一個(gè)預(yù)判。據(jù)徐春華介紹，晶圓廠會(huì)根據(jù)芯片上的缺陷密度，計(jì)算出理論良率大概是多少，這會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)公司有所幫助。不過(guò)，這個(gè)計(jì)算值只是理論良率，實(shí)際中的情況還是很復(fù)雜。
為了解決此問(wèn)題，芯片設(shè)計(jì)公司就要“繃緊神經(jīng)”，時(shí)刻監(jiān)控，將問(wèn)題及時(shí)反饋給晶圓廠。好在晶圓廠生產(chǎn)設(shè)備上的傳感器能及時(shí)分析從工具運(yùn)轉(zhuǎn)到監(jiān)測(cè)晶圓制程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如傳感器與數(shù)據(jù)日志可取得晶圓進(jìn)到哪個(gè)腔體的信息，所有數(shù)據(jù)則進(jìn)入可收集與實(shí)時(shí)分析的系統(tǒng)內(nèi)。有效收集這些信息，就能知道芯片生產(chǎn)中的各種狀態(tài)。
徐春華提到，安路科技為每個(gè)芯片都設(shè)立了獨(dú)立ID，這些ID都關(guān)聯(lián)著生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)，對(duì)安路來(lái)說(shuō)很容易進(jìn)行各種數(shù)據(jù)匯總分析，將來(lái)必要時(shí)如啟動(dòng)問(wèn)題追溯，部分客戶(hù)也會(huì)利用這個(gè)功能進(jìn)行產(chǎn)權(quán)保護(hù)和防“克隆”設(shè)計(jì)。
大數(shù)據(jù)+人工智能
在整個(gè)芯片制造過(guò)程中，總共加入的檢測(cè)步驟有數(shù)百道，而且晶圓廠希望在制程周期內(nèi)就能實(shí)時(shí)同步檢測(cè)良率，而不是制程結(jié)束后再來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。不過(guò)，各種測(cè)試數(shù)據(jù)匯集起來(lái)，將形成一個(gè)非常巨大的量級(jí)。問(wèn)題就來(lái)了，如何做好大數(shù)據(jù)分析?
徐春華表示：“在追溯芯片制造的過(guò)程中，整合起來(lái)的數(shù)據(jù)量非常大，很多的分析都需要用軟件去處理。”在這種情況下，人工智能就將派上用場(chǎng)。
人工智能在芯片的生產(chǎn)過(guò)程中可用做早期分析。國(guó)產(chǎn)FPGA廠商安路科技已經(jīng)進(jìn)行了這方面的嘗試，在公司內(nèi)部開(kāi)發(fā)了大數(shù)據(jù)分析工具，用人工智能算法來(lái)訓(xùn)練測(cè)試數(shù)據(jù)分析過(guò)程，實(shí)時(shí)推斷返回的新數(shù)據(jù)是否預(yù)示問(wèn)題，從而及時(shí)監(jiān)控良率是否達(dá)標(biāo)、性能參數(shù)等各種指標(biāo)是否異常，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警的作用。
“現(xiàn)在收集到的數(shù)據(jù)一般都是測(cè)試數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)還沒(méi)有與生產(chǎn)過(guò)程直接相關(guān)聯(lián)。如果把測(cè)試數(shù)據(jù)與過(guò)程數(shù)據(jù)相結(jié)合，就會(huì)產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)量，而且維度也增加很多，此時(shí)用人工智能進(jìn)行分析，將會(huì)對(duì)良率提升有很大貢獻(xiàn)。”徐春華說(shuō)道。
值得一提的是，安路科技是知名的國(guó)產(chǎn)FPGA供應(yīng)商，其生產(chǎn)的FPGA芯片已經(jīng)被應(yīng)用到工業(yè)控制、消費(fèi)類(lèi)電子、數(shù)據(jù)中心、邊緣計(jì)算等領(lǐng)域，主要實(shí)現(xiàn)邏輯控制、運(yùn)算協(xié)處理、人工智能加速等應(yīng)用。
在整個(gè)業(yè)界，引入人工智能提升良率也已經(jīng)成為一股風(fēng)潮。三星電子為了將AI技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體制程中，就聘用大量專(zhuān)業(yè)人才組建高級(jí)制程控制團(tuán)隊(duì)(APC)，開(kāi)發(fā)和優(yōu)化制程中的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，用智能化制程品控的方法來(lái)不斷提高良率。而兩年前，臺(tái)積電和聯(lián)電都曾經(jīng)表示，在工廠里面使用人工智能技術(shù)，能夠在不增加機(jī)器的情況下多生產(chǎn)20%-30%的晶圓片。
不過(guò)，這只算是人工智能應(yīng)用的起步階段。要實(shí)質(zhì)性提升良率，依然需要大量依靠經(jīng)驗(yàn)的工作，人工智能目前遠(yuǎn)不能勝任。所以，依靠芯片設(shè)計(jì)公司與晶圓廠、封裝廠一起通力協(xié)作，輔助不斷提升的人工智能技術(shù)，才是面向未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的最佳選擇。
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