美國商務部本周五BIS (BureauofIndustryandSecurity) 發布最終暫行規定,主要控制四種技術的出口:氧化鎵,包括寬禁帶半導體相關材料 (Ga2O3) 和金剛石;特別針對GAAFET晶體管結構ECAD (ElectronicComputer-AidedDesign) 軟件;燃氣渦輪發動機增壓燃燒 (PressureGainCombustion) 技術。
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規定生效時間為8月15日。這項出口限制并沒有特別指出中國,但顯然對美國競爭對手以外的國家和地區半導體技術的發展起到了持續的抑制作用,這是出口限制的進一步擴大。
在4項技術中,更引人注目的是特別針對GAAFET晶體管結構ECAD軟件”。BIS新聞稿中明確提到,ECAD軟件工具用于設計、分析、優化和驗證集成電路或印刷電路板的性能;GAAFET半導體尖端制造技術的未來nm以及更先進節點的基礎。這里的ECAD我們常說的基本上可以常說的話EDA工具。
但一些微信官方賬號和國內媒體只是把這一事件解讀為斷供EDA,甚至把范圍指向全部EDA工具片面錯誤。全文參見:Implementation of Certain 2021 Wassenaar Arrangement Decisions on Four Section 1758 Technologies
主要針對GAAFET晶體管的EDA工具出口限制對中國和更多國家和地區有什么影響?
GAAFET代表了半導體的未來我們在在之前的文章中多次解讀3,預計明年將大規模上市nm工藝-三星(Samsung Foundry)將在3nm采用這一代工藝節點GAAFET晶體管的結構。
隨著半導體制造工藝的進步,晶體管結構也經歷了多次迭代。nm過程前,平面結構Planar FET晶體管是半導體制造技術的主流。但節點發展到20nm在工藝過程中,由于晶體管越來越小,短溝效應開始突出,無法進行有效的靜電控制。
來源:Lam Research
所以FinFET結構晶體管出現了,Fin(鰭)伸出來,如上圖所示。這種結構有效地增加了溝的接觸面積。只要把它拉出來。Fin為了提高輸出電流,可以實現更寬的有效寬度。
但時代進入3nm節點前后,FinFET結構也開始暴露問題。首先,隨著問題的出現。gate length進一步縮短,FinFET結構也難以提供有效的靜電控制。同時,單元應該被控制(cell)結構進一步縮小,Fin減少數量,問題變得更大。
歸根結底,在晶體管持續變小的過程中,性能越來越難以保證。于是GAAFET結構出現:相當于原始結構FinFET的Fin水平水平水平出來,以前叫Fin,掉個方向就叫nanosheet(所以GAAFET也叫nanosheet FET)。由于nanosheet被gate(柵極)四面環抱,所以叫gate-all-around FET(GAAFET),接觸面積自然會更大。
來源:三星via WikiChip
三星準備大規模生產3nm工藝上采用GAAFET結構晶體管;臺積電和Intel這種結構的使用將推遲到2nm——兩家都認為FinFET在3nm性能挖掘在節點上仍有潛力。從臺積電計劃表來看,2nm GAAFET2025年底,晶體管大規模量產。所以GAAFET可以說是尖端制造技術的未來。
哪些芯片會受到影響對于芯片設計企業來說,如果要使用的話GAAFET晶體管自然需要對應EDA協助芯片設計的工具——畢竟晶體管這么小,不會手動完成每個晶體管和布局布線。EDA美國幾家主要企業暫時掌握了技術的核心(Synopsys、Cadence、西門子EDA)手里。
臺積電、三星等foundry工廠自然會在第一時間和美國的三個人在一起EDA企業共同推動芯片設計客戶EDA工具。在過去的一年里,我們聽到了聞。
所以美國商務部BIS宣布這一類EDA工具的出口限制自然需要用于其他國家GAAFET芯片設計企業實施芯片方案,影響很大。那么,哪些芯片將在未來率先應用呢?GAAFET晶體管的結構呢?
通常,尖端制造工藝的成本很高,因此需要大量稀釋制造和設計成本。2022年,臺積電等企業CapEx預計成本投資將達到440億美元PLX代理且其2nm GAAFET工藝暫時只占很小一部分,未來幾年GAAFET晶體管制造技術的持續投資只會使這個數字更加夸張。
所以短期內可以用GAAFET晶體管只會是大量的芯片,比如PC與手機的CPU、數據中心的GPU和AI芯片、受眾和應用廣泛FPGA大芯片。事實上,我們認為早期階段GAAFET這種先進的晶體管暫時不太可能應用于大規模生產,至少需要等待成本下降。
現階段有能力建造GAAFET晶體管的foundry暫時只有三星、臺積電和Intel。有關三星3nm GAAFET我們之前對工藝技術做過很多分析。預計三星這一代工藝在性能上不會比臺積電3強nm FinFET工藝強。
事實上,在短期內(或至少在2026年之前),美國商務部BIS暫行規定暫時不會顯示出太大的力量。但基于芯片設計12-18個月的周期,出口限制實際上將在未來1-2年產生持續影響。
這國際形勢和環境多變的現實世界中,這實世界中造成了行業更大的不確定性。
區域化趨勢的持續和擴散實際上早在本月初,國外媒體報道拜登政府可能會對尖端芯片制造技術實施新的出口禁令EDA軟件工具。因此,新規定的出現并不令人驚訝。雖然美國商務部和白宮當時沒有回應,新規定也沒有提到指向中國,但中美之間的對抗不是最近形成的。
這不是美國第一次限制芯片制造工具的出口,不僅僅是EDA,類似的情況發生在更上游的設備和材料上。當然,這樣的規定對中國來說是個壞消息。畢竟,對尖端技術的技術封鎖將在中短期內對某一國家或地區產生深遠的影響,尤其是GAAFET晶體管涉及摩爾定律的不斷進步。從長遠來看,以中國為代表的國家和地區也必須尋求技術突破來對抗這些不合理的霸道規則。
這種技術封鎖也會導致半導體行業的區域化(Regionalization/Localization)進一步加深趨勢。作為一個需要全球合作的全球化產業,反全球化的現狀是由于各方的爭端。不僅是中國,韓國、日本、歐洲等地的市場環境也在加劇。掌握更全面的技術似乎已經成為整個行業的一個大問題。