海思麒麟990采用了7nm工藝，阿里平頭哥號稱最強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，是中國芯片公司追逐先進工藝的堅定步伐。
只是這條路并非一帆風(fēng)順，在芯片的設(shè)計過程中，就要面臨技術(shù)如何升級、能否首次流片成功等諸多風(fēng)險，而在正式量產(chǎn)之后，還要面對良率提升和工藝穩(wěn)定的重大挑戰(zhàn)。
面對良率提升這個問題，國產(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的挑戰(zhàn)中，最主要的就是制造工藝的穩(wěn)定性。”
追逐先進工藝的煩惱
在半導(dǎo)體工藝世界中，晶圓廠總是一個領(lǐng)跑者。以臺積電為例，當(dāng)蘋果的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)常會出現(xiàn)良率波動的問題。”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“時間差”。“現(xiàn)在生產(chǎn)的產(chǎn)品都是基于幾年前設(shè)計規(guī)則開發(fā)的，雖然晶圓廠當(dāng)時的設(shè)計規(guī)則會根據(jù)理論分析和有限實驗增加工藝波動裕量，但是后續(xù)實際加工過程中的各種工藝波動和當(dāng)初的理論模型肯定會有差異甚至漏洞，從而造成大規(guī)模生產(chǎn)中出現(xiàn)良率波動。”
這也是設(shè)計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，比如說線寬、間隔這些參數(shù)在不同的時間、不同的機臺上就會有所不同要求，由于規(guī)則所給定的裕量不夠，會在生產(chǎn)中產(chǎn)生各種問題。”
同時，隨著工藝水平的提升，掌控良率的條件也越來越嚴(yán)苛，因此要對良率進行一個預(yù)判。據(jù)徐春華介紹，晶圓廠會根據(jù)芯片上的缺陷密度，計算出理論良率大概是多少，這會對設(shè)計公司有所幫助。不過，這個計算值只是理論良率，實際中的情況還是很復(fù)雜。
為了解決此問題，芯片設(shè)計公司就要“繃緊神經(jīng)”，時刻監(jiān)控，將問題及時反饋給晶圓廠。好在晶圓廠生產(chǎn)設(shè)備上的傳感器能及時分析從工具運轉(zhuǎn)到監(jiān)測晶圓制程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如傳感器與數(shù)據(jù)日志可取得晶圓進到哪個腔體的信息，所有數(shù)據(jù)則進入可收集與實時分析的系統(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，安路科技為每個芯片都設(shè)立了獨立ID，這些ID都關(guān)聯(lián)著生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)，對安路來說很容易進行各種數(shù)據(jù)匯總分析，將來必要時如啟動問題追溯，部分客戶也會利用這個功能進行產(chǎn)權(quán)保護和防“克隆”設(shè)計。
大數(shù)據(jù)+人工智能
在整個芯片制造過程中，總共加入的檢測步驟有數(shù)百道，而且晶圓廠希望在制程周期內(nèi)就能實時同步檢測良率，而不是制程結(jié)束后再來發(fā)現(xiàn)問題。不過，各種測試數(shù)據(jù)匯集起來，將形成一個非常巨大的量級。問題就來了，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程中，整合起來的數(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。
人工智能在芯片的生產(chǎn)過程中可用做早期分析。國產(chǎn)FPGA廠商安路科技已經(jīng)進行了這方面的嘗試，在公司內(nèi)部開發(fā)了大數(shù)據(jù)分析工具，用人工智能算法來訓(xùn)練測試數(shù)據(jù)分析過程，實時推斷返回的新數(shù)據(jù)是否預(yù)示問題，從而及時監(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)一般都是測試數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)還沒有與生產(chǎn)過程直接相關(guān)聯(lián)。如果把測試數(shù)據(jù)與過程數(shù)據(jù)相結(jié)合，就會產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)量，而且維度也增加很多，此時用人工智能進行分析，將會對良率提升有很大貢獻。”徐春華說道。
值得一提的是，安路科技是知名的國產(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、消費類電子、數(shù)據(jù)中心、邊緣計算等領(lǐng)域，主要實現(xiàn)邏輯控制、運算協(xié)處理、人工智能加速等應(yīng)用。
在整個業(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，就聘用大量專業(yè)人才組建高級制程控制團隊(APC)，開發(fā)和優(yōu)化制程中的機器學(xué)習(xí)技術(shù)，用智能化制程品控的方法來不斷提高良率。而兩年前，臺積電和聯(lián)電都曾經(jīng)表示，在工廠里面使用人工智能技術(shù)，能夠在不增加機器的情況下多生產(chǎn)20%-30%的晶圓片。
不過，這只算是人工智能應(yīng)用的起步階段。要實質(zhì)性提升良率，依然需要大量依靠經(jīng)驗的工作，人工智能目前遠(yuǎn)不能勝任。所以，依靠芯片設(shè)計公司與晶圓廠、封裝廠一起通力協(xié)作，輔助不斷提升的人工智能技術(shù)，才是面向未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的最佳選擇。
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