美國獨資的唯一純代工廠SkyWater：65nm剛上路
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提到代工廠，我們最熟悉的莫過於台積電，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，至今其主要經營著一個相對較小的200毫米工廠，正從90nm製造工藝開始啟動業務。但它卻已經開始與穀歌組建夥伴關係、推進半導體生產，且已經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。
不追逐工藝的代工廠SkyWater
SkyWater工廠最初由位於明尼蘇達州的Control Data Corporation（CDC）在1980年代建立。CDC晶圓廠於1991年被賽普拉斯半導體公司收購。
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，並以位於美國的生產設施與亞洲的晶圓廠競爭而聞名。SkyWater於2017年從賽普拉斯（Cypress）拆分出來，得到了明尼蘇達州Oxbow Industries的私募股權支持。
2017年從賽普拉斯半導體公司中分離出來的SkyWater收購了位於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業務之路。
SkyWater是唯一一家美國國內的純代工公司，因此它是美國國防部可信賴的代工計劃的一部分，以在美國境內提供安全的供應來源。其業務始於130nm，而今年開始提供90nm服務。SkyWater目前使用90納米技術生產集成電路（IC或“芯片”）。
而IBM和英特爾早在2002年就開始首次生產90 nm芯片，TSMC於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工藝的PowerPC微處理器。
也許從工藝上來看，SkyWater並沒有那麼亮眼，但是SkyWater與fab所做的事情，以及與他們合作的企業卻饒有興趣。Skywater正在為D-Wave的量子計算機製造量子比特，這個項目在它還是賽普拉斯公司的一部分時就開始了。
當然這並不是一個大容量的產品，如果你有一個小型的專業工廠，你也可以獲得像D-Wave這樣的客戶。SkyWater還在為DNA測序機製造微流控芯片，這是研究SARS-CoV-2流行病學的科學家們的熱門商品。
SkyWater願意嘗試各種試驗。作為美國國防高級研究計劃局(DARPA)電子復蘇計劃的一部分，該公司正在與麻省理工學院(MIT)的一個研究小組合作，在其生產線上製造碳納米管(CNT)晶體管。
2018年DARPA的電子復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集成實現計算系統的革命，它的目標是使用單片3D集成將使用了數十年之久的製造工藝的芯片，與使用當今尖端技術（如7nm）製造的芯片競爭。該項目基於允許將碳納米管晶體管和電阻式RAM存儲器構建在普通CMOS邏輯芯片之上的技術。
要想生產這項技術SkyWater是唯一的選擇，一方面DARPA熱衷於將這項技術保留在美國；更重要的是，並不是每個工廠都願意使用非標準材料，例如碳納米管，如果處理不當，可能會污染其他客戶的產品。
2020年8月18日，SkyWater 宣布與美國麻省理工學院（MIT）合作的DARPA三維單片系統芯片（3D SoC）計劃已進入第二階段。
在完成該計劃的初始階段後，第二階段的重點是將基於碳納米管場效應晶體管（CNFET）的3D SoC技術轉移到SkyWater的200 mm生產設施中，第二階段的重點是改善製造質量，產量，性能和密度。3DSoC計劃旨在改變數十年來一直作為標準的成本/性能基準。
預計這一新範例將在自動駕駛汽車，醫療/保健診斷，邊緣計算，可穿戴設備和物聯網應用的用例中加速AI和高級計算。
麻省理工學院和SkyWater整合代工的工作最近發表在《自然電子》上，論證了在與製造矽基晶體管相同的商業設施中，在200毫米晶圓上批量生產CNT所採用的方法。
將CNT從實驗室帶到工廠車間的這一重要步驟為更節能的3D微處理器鋪平了道路。值得注意的是，該技術能夠將基於CNT的邏輯和RRAM的可堆疊層進行單片集成，以實現高密度，高帶寬SoC架構，並且全部採用低溫製造技術。
SkyWater的首席技術官Brad Ferguson博士說：“我們很高興能與麻省理工學院一起繼續這一旅程，以實現碳納米管技術對半導體行業的獨特承諾，這將對整個商業和國防工業中的人工智能和前沿計算應用產生突破性影響。”
“邁出這一巨大的步伐並在代工環境中達到里程碑，使這種飛躍進入生產真的很令人興奮。這標誌著業界需要時間將碳納米管作為比矽基晶體管更加節能的替代品，並為這種突破性技術準備產品路線圖。”麻省理工學院電氣工程與計算機科學教授Dr. Max Shulake說。
對於新技術的開發者來說，在商業生產線上證明自己的可行性一直是至關重要的，而在美國，願意這樣做的半導體工廠已經所剩無幾，而Skywater卻可以在幫助推進新技術方面發揮重要作用。對於美國的學術和研究實驗室來說，獲得這種實驗的生產設備至關重要。
已故的保羅·格雷，受人愛戴的麻省理工學院前校長曾說過，他最大的遺憾之一就是沒有在關鍵時刻為學院投資一個半導體設備廠，讓學院的科學家有機會進行研究和工藝創新。
2020年6月，GlobalFoundries和SkyWater與美國政府達成了一項協議，為美國的國防基礎設施提供半導體。兩家晶圓代工廠將合作設計和製造微電子產品，以增強國防部門的技術領先地位和國內芯片供應。
2020年11月12日，Google與SkyWater和Efabless合作，實現定制ASIC的開源製造。Google贊助的開源多項目晶圓（MPW）航天飛機將接受設計提交，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計套件（PDK）支持130 nm混合信號CMOS技術（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）提供完整的開源製造供應鏈，並且在FOSSi（自由和開源矽）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，避免了尖端工藝的大量投資。如今，使用65納米或90納米技術製造的芯片數量驚人，尤其是用於電話和無線設備、物聯網設備以及汽車應用的無線電芯片。
由於這是一項成熟的技術，製造設備可能會完全貶值，因此從成本的角度來看，該工藝是相當有吸引力的。再者，台積電的的先進7nm、5nm業務也僅佔銷售額的近一半，剩下一半的銷售額還是由其他工藝貢獻。
此外如模擬半導體、功率半導體等都不需要微縮化，甚至如果把7nm工藝應用到某些產品中，反而會降低其功能。但是，就半導體而言，還是微縮化程度越高，性能越好，因此還是要發展微縮化。
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，這就是所謂的rad-hard。它們用於惡劣的工作環境中，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。
有了新的潔淨室，SkyWater將首次能夠製造使用銅互連的芯片，這種材料對於尺寸更小，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量的廉價方法，它使用的是不太先進的矽工藝。
有了新的潔淨室和銅互連技術，SkyWater最終將能夠製造65納米或更小尺寸的芯片。這項工藝台積電是在2005年左右開始提供。
SkyWater Technology正在為其位於布盧明頓的工廠的正面增加第三個潔淨室。藍色區域是構建擴展的位置。
今年11月25日，Multibeam宣布與SkyWater建立合作夥伴關係，將其Multicolumn電子束光刻（MEBL）系統部署到SkyWater擴展後的製造工廠中，以支持其45納米製造能力的路線圖。
MEBL系統定於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”技術旨在對45nm及更大節點上的整個晶圓進行圖案化，而無需使用用於線後（BEOL）的任何掩模，旨在用於“小批量，高混合量”芯片通常是為國防部生產的。光刻設備的領導者往往對少量，種類繁多的芯片沒有興趣，因為他們的業務面向大批量生產。
市場對具有“成熟”節點的早期芯片的需求仍在繼續，但儘管此類節點的掩碼較便宜，但與掩碼相關的成本往往很高。需求較低的掩模通常會有較長的交貨期，這將對生產中的晶圓廠生產率以及新芯片開發中的學習週期產生負面影響。
IoT芯片生產面臨著類似的挑戰，因為它們通常是小型，簡單的SoC，可以執行特定任務並且在Internet上無處不在。總體而言，物聯網芯片製造商是大批量生產商，但由於物聯網應用多樣且物聯網市場分散，它們的批量規模相對較小。
“在產品開發中，MEBL減少了原型製作的成本和時間，因為'重新設計'不再需要新的掩模，” Multibeam董事長David Lam解釋說。
“由於我們的MEBL系統中的所有電子束色譜柱都是獨立且並行編寫的，因此它們能夠生產比典型光學視場還大的多項目晶圓和芯片。我們通用的MEBL系統設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。”
結語
無論是美國吸引台積電去美建廠，還是大力支持SkyWater的擴建發展，都體現了美國對代工廠的看重。半導體工廠極具前景，是可以長期發展的業務類型。如今，SkyWater正按照自己的步伐穩步前進中。