TSMC的40nm工艺已经达到极限

我们已经听到太多关于TSMC在其40nm工艺上提升良率的难处，在这篇文章里，我从这些消息里进行揣测，并推断出是什么原因阻止晶圆代工厂获得可接受的良率。

最近，关于TSMC在40nm工艺的GPU生产过程中出现的超级低的良率的传言很多，这个传言最初的来源是FBR Capital Markets的Mehdi Hosseini写的一篇报告，而EE Times的编辑Mark LaPedus引用了Hosseini的说法，“我们相信良率低到了20%到30%”。两家图形芯片巨头和其他TSMC的大客户对该情况非常不满意，而TSMC也不得不低声下气的承认了要在40nm提升良率“非常有挑战性”。

根据这篇报告，Hosseini还推测张忠谋(Morris Chang)回归晶圆厂参与日常工作主要是40nm工艺的低良率造成的，但其实并没有人会怀疑蔡力行(Rick Tsai)博士在处理这种情况下的管理能力。这样看来，这样做最有可能的目的是消除市场的恐慌。

正如我的一个同事指出的，这是新的工艺下进行ASIC设计时出现的很自然的现象。虽然北电(Nortel)也出现了这样的事情，但如果你报废了你四分之三的产品，你还怎么做生意呢?看看北电现在的情况吧。当然，我只是开个玩笑，北电的管理层不需要那么多技术问题就能让公司垮掉。

我的问题是：“在一个工艺节点成熟之前，一家无晶圆公司就贸然进入，他能获得什么呢?”另一个消息可靠的同事说是Nvidia的客户逼着Nvidia采用该工艺的，他们认为工艺节点的缩小将有助降低Nvidia的GPU的生产成本，也许今天不行但接下去一定行。当然，这些客户并不理会，如果Nvidia等到TSMC可以提供更高的良率时再进入，这样可以节约多少成本。

这与DigiTimes对Nvidia转移到40nm工艺的报道不谋而合。Nvidia目前转移到40nm的产品是只为OEM做的，他们自己品牌的产品会在迟一些的时候转移过去。

但到现在为止还没有人强调良率提升“挑战”的可能的信息来源。经过同事们的内部投票和外部网络包括LinkedIn的调查，主要的因素可以概括为下面四点：

粒子控制一直都是一个问题，所以那只是一个假设。我认识的人没有谁能够说清楚内部的信息，所以也就无从得知。类似的，没有人确切知道TSMC是不是首次采用了e-SiGe。

但对TSMC 40nm工艺制造的两款完全不同的芯片的分析显示，在后端制造上还是不一样的。Semiconductor Insights高级工艺分析师Xu Chang已经彻底地分析了Altera Stratix IV和Nvidia GPU两款40nm芯片。这两款TSMC制造的40nm产品因为应用的不同有细微的差别。Altera PFGA采用宽松的设计规范，采用更大的门长度和更厚的门氧化物。然而，该裸片体积差不多是GPU的三倍(大概400平方毫米)，这增加了消除粒子失效的机会。更小的GPU设计性能更高，但结果是必须承受低良率的可能性。

Altera对于他们的Stratix FPGA的良率很满意，所以你可以假设这相比Nvidia的产品要好得多。除了更大的PFGA裸片，良率还取决于Altera采用的不同的互联方式。两款器件都采用了TSMC 40nm平台引入的low-k(ELK)介质，然而，Altera产品的互联堆栈的整体布线采用了无掺杂氧化物的厚铜金属，物理力量得到了增强。Altera的器件上层有六层采用无掺杂氧化物的互联，而Nvidia只有两层。low-k电介质相对比较弱，该问题在ELK上面会更遭一点。额外增加的稳健的无掺杂氧化物上层有助于弥补FPGA下层的脆弱。

明显的，Altera在工艺开发上与TSMC形成了紧密的合作。这表明了更高级的工艺发布时，需要所有的开发团队——从设计到晶圆厂到封装再到测试——进行更紧密的合作。当然，大部分FPGA的结构都是重复的架构，这让Altera和TSMC的工程师能够合作优化相关的小电路模块。尽管更复杂了，但可编程的逻辑模块让人觉得与大规模的SRAM阵列十分相似。新的处理器的产业标准演示平台已经可以在该处理器问世一年前在“真实的”电路上实现。

在LinkedIn网站上，有一个Semiconductor Insights的工艺分析咨询板块，一位SI的老同事Kevin Gibb评论到，“在这个级别下，英特尔在他们的90nm和65nm节点已经经历过，晶体管在关闭状态的高泄露电流必须得到考虑。因此我考虑的是门级泄露电流，基板的漏极扩散，和通道泄露电流。”

真的，我只是在讲述一些可能性。我并不是说我已经得出结论，但力学稳定性看起来与其他因素一样重要。如果你不同意或是有别的看法，请展开讨论。如果写东西太麻烦了，你可以立即参与我在LinkedIn上的投票。

FPGA行业的经济状况不比GPU差，卖给OEM的FPGA比卖给复杂的PC系统的显卡芯片还要多。尽管因为定价因素Altera可能会失去更多的芯片，但他们的生意比Nvidia做的好。

真正的问题是GlobalFoundries(AMD拆分出的独立晶圆厂)怎样才能得到好处?AMD(ATI产品线)在TSMC的40nm晶圆上获得的结局与Nvidia差不多。因为AMD与GlobalFoundries的紧密关系，和失去晶圆代工先机的危险，TSMC的销售人员也许会给AMD提供更好的出价，或者也许Nvidia也会从GlobalFoundries买晶圆。这是聪明的Nvidia不会排除的方案。

作者Don Scansen，SemiSerious博客的作者，是Semiconductor Insights的技术分析师，他是注册专业工程师并是IEEE的高级会员。