毫無疑問，臺積電目前是晶圓代工市場的老大，其最新的5nm工藝已經(jīng)量產(chǎn)，并且獨家拿下了蘋果A14處理器的訂單。不過，近兩年三星也在不斷的發(fā)力晶圓代工業(yè)務，不僅投入大筆資金建設先進的晶圓廠，同時也在工藝制程上加速的追趕。雖然，目前三星在市場份額上與臺積電有著很大的差距，但是技術上的差距正在縮小。去年，臺積電的創(chuàng)始人張忠謀在接受媒體采訪時也表示，“臺積電跟三星的戰(zhàn)爭絕對還沒結束，我們只是贏了一兩場battle（戰(zhàn)役），整個war（戰(zhàn)爭）還沒有贏。”

在2020世界人工智能大會期間的“萬物智聯(lián)·芯火燎原”人工智能芯片創(chuàng)新主題論壇上，三星電子高級副總裁Moonsoo Kang介紹了三星Foundry是如何通過提供最佳的Silicon（硅）解決方案來幫助AI芯片實現(xiàn)的。同時，他也介紹了三星Foundry在晶圓代工領域的概況及最新的進展。

▲Moonsoo Kang是Samsung Foundry市場戰(zhàn)略團隊負責人，負責與工藝技術、設計IP和封裝解決方案有關的Samsung Foundry的戰(zhàn)略規(guī)劃和路線圖

眾所周知，近年來人工智能技術發(fā)展迅猛，而對于人工智能來說，算力是極為重要的關鍵因素之一。而對于人工智能計算來說，最開始的載體是通用型CPU，因為其相對于AI計算來說，非常的靈活。但是隨著AI對于算力要求的越來越高，GPU開始成為了AI訓練的首選計算架構，因為其相比CPU來說，更加的高效。而現(xiàn)在，相比GPU更加高效的定制型AI芯片開始逐漸成為了AI計算架構的首選。

目前，CPU仍占據(jù)當今數(shù)據(jù)中心AI推理（Inference）應用市場的主導地位，同時在數(shù)據(jù)中心AI訓練應用市場，GPU則占據(jù)著主導地位。但是，根據(jù)研究機構的數(shù)據(jù)顯示，預計到到2025年，定制型AI芯片將占據(jù)數(shù)據(jù)中心AI推理應用市場40%的份額，在數(shù)據(jù)中心AI訓練應用市場，AI芯片的份額將達到50%。

在半導體芯片領域，我們可以看到的另一個趨勢則是，高端制程的邏輯工藝變得越來越昂貴，先進工藝的硅片制造成本越來越高，這也使得先進技術節(jié)點的芯片設計成本也隨之迅速增加。此外，并非采用先進的工藝，所有SoC內部的模塊都能以相同的方式體驗高級技術節(jié)點的好處。基于此，將傳統(tǒng)的SoC芯片分解成分為多個小芯片（Chiplet），每個小芯片可以根據(jù)不同的需求選擇不同的制程工藝，然后通過先進的封裝技術將其封裝在一起，這將使得芯片變得更加的高效和經(jīng)濟。

基于這兩大趨勢，Samsung Foundry也針對性的提供了相應的工藝、IP和封裝技術來助力AI行業(yè)。

Moonsoo Kang首先介紹了Samsung Foundry在開發(fā)硅片先進制程技術方面的歷史。比如，在行業(yè)中率先在32/28nm工藝上引進了High-K金屬柵極技術；隨后又在Foundry行業(yè)中領先推出第一款采用FinFET晶體管結構的14nm工藝芯片；第一款基于EUV光罩技術的量產(chǎn)7nm芯片；三星還全球率先在3nm技術中引入全環(huán)柵極晶體管技術（Gate-all-around transistor，簡稱GAA）。

Moonsoo Kang表示，硅晶體管多年其就已從平面（Planar）演變到立體的FinFET，來實現(xiàn)更好的面積和電壓減縮，現(xiàn)在為了進一步改善并克服FinFET的短通道效應，Samsung Foundry引入了全環(huán)柵極的新型晶體管架構（GAA），借助這項新技術，可以進一步降低晶體管的工作電壓，從而實現(xiàn)更節(jié)能的計算，這對于AI應用至關重要。同樣，對于GAA器件，器件寬度會隨著納米片（Nano sheet）通道的垂直堆疊的增加而增加，因此可以實現(xiàn)性能提升的同時，而不會造成面積損失。這項技術可較小的硅片面積中實現(xiàn)更低的能耗和更多的計算能力，作為差別化的技術開發(fā)。

根據(jù)三星此前公布的數(shù)據(jù)顯示，三星電子已經(jīng)成功攻克了3nm和1nm工藝所使用的GAA工藝技術，其將在2021年推出基于3nm GAA工藝，相比現(xiàn)有的7nm工藝來說，可實現(xiàn)芯片面積減少45%，功耗降低50%或性能提高35%，預計將于2022年開啟大規(guī)模量產(chǎn)。

此外，三星還擁有特殊工藝技術來提供差別化的解決方案。比如開發(fā)了28nm FD-SOI工藝，并提供了嵌入式非易失性存儲器解決方案，包括eFlash和eMRAM。并且三星還正在18nm節(jié)點上開發(fā)第二代FD-SOI技術。此外，三星還在FD-SOI工藝上提供eNVM解決方案，以實現(xiàn)最終的低功耗應用。

“我們的FD-SOI技術為節(jié)能解決方案提供了平臺，并且，借助嵌入式非易失性存儲器（如eFlash和eMRAM），有可能實現(xiàn)模擬類型的內存計算，與傳統(tǒng)的基于數(shù)字邏輯的計算架構相比，其功耗更低、面積更小、處理速度更快。”Moonsoo Kang介紹到。

但是，僅僅依靠先進的靠硅制程技術并不一定能提供出色的芯片，要制造出具有競爭力的芯片，還需要其他優(yōu)秀的設計IP組合。

對此，Samsung Foundry提供了全套的設計IP來支持AI和HPC應用以及移動應用，比如，各種內存接口IP（例如HBM2/2e，GDDR6，DDR5/4和LPDDR5/4）、最高速度可達112G的Serdes IP、高速接口（例如PCIe，MIPI和USB）、Die-to-die接口串行和并行類型。

Moonsoo Kang表示，這些IP并非都是由我們的IP合作伙伴或Samsung Foundry內部開發(fā)，并經(jīng)過所有測試和硅驗證的。

此外，封裝技術也是Samsung Foundry的技術解決方案的一部分。正如前面提到的，隨著異構整合、Chiplet的發(fā)展，先進封裝技術正成為推動芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵技術。Samsung Foundry提供并繼續(xù)開發(fā)各種針對AI產(chǎn)品優(yōu)化的封裝解決方案。

比如，可提供使用硅片和RDL中介層（interposer）連接邏輯和高帶寬存儲器，或邏輯和邏輯芯片的2.5D水平方向集成解決方案。該2.5D集成解決方案可從4個HBM集成進一步擴展到6和多于8個HBM集成。此外，Samsung Foundry還提供3D-TSV芯片堆疊集成解決方案，其中一個芯片位于另一個芯片的頂部，以實現(xiàn)極高的帶寬。隨著焊盤間距小至10um，3D集成解決方案將進一步擴展到晶圓對晶圓鍵合和芯片對晶圓技術。

對于AI芯片來說，性能尤為重要，但是功耗也是一個關鍵，尤其是對于耗電量巨大的數(shù)據(jù)中心類型的AI芯片而言。因此需要提供優(yōu)秀的電源完整性（PI）解決方案。

隨著計算能力的提高，開關噪聲或功率紋波成為關鍵問題，作為一種解決方案，晶體管附近的高密度硅電容器可以減少電源噪聲并提高PI。Samsung Foundry提供了各種電容器解決方案來幫助增強PI，具有高電容密度的集成堆棧電容器（Integrated Stack Capacitor）可以集成在硅片中介層內部或作為分立芯片。集成的堆棧電容器可以顯著改善輸電網(wǎng)絡的峰值阻抗和電壓降（如下圖片所示）。還提Samsung Foundry供MIM（金屬絕緣體金屬）電容器和EPS（嵌入式無源基板），以進一步增強電源完整性。

以上，我們介紹了Samsung Foundry的硅工藝技術，設計IP和封裝技術，但是，這些技術組件不只是作為離散組件提供，它們是一個完整且客戶友好的生態(tài)系統(tǒng)，簡稱為SAFE（Samsung Advanced Foundry Ecosystem），可提供“一站式”解決方案。

Moonsoo Kang表示，百度的昆侖AI芯片就是采用了三星SAFE平臺，成功開發(fā)了出了同類最佳的AI芯片，該產(chǎn)品采用了Samsung Foundry的14nm邏輯工藝，SAFE可靠的IP解決方案和設計方法和HBM一起構建在2.5D硅片中介層PKG。

根據(jù)此前的資料顯示，百度昆侖AI芯片基于三星14nm工藝，支持PCIE 4.0*8，內建HBM內存、512GB/s內存帶寬，性能高達260TOPS，功耗僅150W。去年下半年百度昆侖AI芯片就已成功流片，目前已經(jīng)成功量產(chǎn)，并應用于百度的智能云業(yè)務。
責任編輯:pj