美國扶持特種工藝代工廠帶來的啓示_風聞

來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）原創，作者：李飛，謝謝。

近日，美國參議院提出了多項法案，旨在扶持美國本土的半導體行業發展。6月10日，民主黨和共和黨在參議院共同推出了CHIP法案，該法案提出要花100億美元在美國本土建設下一代半導體廠，同時給半導體行業的相關研究撥款120億美元。6月25日，兩黨議員又在參議院推出了美國半導體製造廠法案（American Foundries Act），該法案提出為美國國內的半導體生產和研究撥款150億美元，同時為國家安全相關的關鍵半導體生產撥款50億美元。

這兩個法案的推出，無疑是因為美國政界意識到美國在半導體生產領域已經不再處於全球最領先的地位。目前，排名靠前的主流半導體代工廠中，美國只有一家GlobalFoundries。但是，我們也必須看到，在下一代半導體工藝器件等研究領域，美國的科研實力仍然引領着全球，而美國政府想要做的，就是把這些全球領先的研究成果儘量留在美國本土落地。這也是前述的兩個法案都提出要花大量資金扶持本土下一代半導體生產技術的原因。而在這些政府投資的背後，我們看到有一家名聲不顯卻在各項半導體孵化計劃中扮演重要角色的半導體代工廠SkyWater。就在以上法案公佈後，SkyWater宣佈和GlobalFoundries簽署了諒解備忘錄，兩家公司將在多個領域的產品上做交叉授權。本文將介紹SkyWater在美國半導體行業中的獨特地位，並且分析我國可以從中如何借鑑相關經驗。

SkyWater是何方神聖

SkyWater是一家在位於明尼蘇達州的半導體代工廠，在上世紀80年代由當時著名的計算機廠商Control Data Corporation（CDC）建立，並於1991年被著名的半導體公司Cypress收購。此後，在2008年，SkyWater開始代工業務，並且在2017年最終脱離Cypress開始獨立運營。

SkyWater的半導體工藝特徵尺寸並不領先，目前支持的最小特徵尺寸僅為90nm（65nm還未正式投產），因此先進CMOS工藝並非是其主打方向。我們認為，SkyWater的獨特業務主要分兩塊，一塊是抗輻射工藝和相關IP，而另一塊就是下一代先進半導體工藝，例如碳納米管、超導集成電路等。

我們先來看抗輻射工藝和IP。這一塊的主要客户中，和政府息息相關的軍工、航天等領域的公司都是SkyWaters的重要客户。在抗輻射集成電路領域，SkyWater除了能提供非常高的抗輻射干擾能力（>1Mrad）外，還為客户提供了一系列在抗輻射工藝上得到過驗證的IP，其種類包括非易失性存儲器（MRAM等）、SRAM、RISC-V處理器甚至eFPGA。這樣一來，SkyWater的IP可以幫助這些客户較容易地實現複雜的SoC，從而為軍工、航空領域的相關客户提供擁有抗輻射能力同時在信息處理能力上也能跟上主流民用芯片的產品，從而為這些領域信息化的進一步發展提供重要助力。在抗輻射領域，SkyWater於去年收到了美國國防部1.6億美元的撥款，該撥款旨在進一步擴大SkyWater的抗輻射工藝研發和產能，SkyWater在美國政府心目中的重要地位可見一斑。

除了航天和軍工相關的抗輻射集成電路之外，SkyWater的另一個重要業務是和美國高校和研究機構合作，共同研發和孵化下一代集成電路工藝。由於這些美國研究機構在下一代半導體工藝領域的研究資金主要來自於政府，因此從某種角度該領域的業務SkyWater還是在接政府的訂單。例如，在美國DARPA高達15億美元的“電子復興計劃”（ERI）中，SkyWater就是碳納米管方向扮演了重要角色。ERI碳納米管方向的牽頭人，MIT教授Max Shulaker最近發表在《自然·電子學》的論文就是在SkyWater的碳納米管工藝上首次實現了在大規模碳納米管晶圓上的大規模加工加速，可以將原來需要幾天的工藝縮短到半小時以內，從而大大降低碳納米管的門檻。而SkyWater和Shulaker研究組最終想要實現的是使用碳納米管做單芯片大規模異構集成，使用碳納米管技術將目前異構集成中的互聯密度提升多個數量級，從而為大規模電路帶來一次革命。

美國的“軍轉民”技術

在美國，政府在撥款進行半導體領域相關的研究時，往往會有一個條款，即相關的芯片設計或工藝驗證需要在政府認證的“可靠代工廠”（trusted foundry）中完成，而SkyWater就屬於美國少數幾家有能力和意願與科研機構進行合作工藝開發的trusted foundry，這有點類似中國的“軍轉民”概念。但是，SkyWater的經營理念並不是從政府獲得補助，而是為獲得政府支持的機構提供服務。軍工、航天等領域自然不必贅述，SkyWater和科研機構的合作更值得分析。

一方面，SkyWater的工藝為各種有需要的研究機構提供MPW等流片相關的服務，以及合作開發工藝的機會。除了之前提到的和MIT等高校的碳納米管合作項目之外，SkyWater還與Google一起在近日發佈了130nm的開源PDK，供半導體相關的研究人員免費試用。雖然130nm已經是十多年前的技術，但是其仍然能為一些集成電路的新設計提供物理設計驗證。SkyWater的開源PDK將幫助從事電路設計研究的人員更快更好地完成概念驗證，而省去了PDK授權的過程。

另一方面，SkyWater也是科研機構技術轉化的出口。在上週，MIT的林肯實驗室發佈消息，稱其完成了將自己的抗輻射半導體技術研究在SkyWater的商用化，相信這也是科研機構向SkyWater做技術轉化的一個例證。最後，SkyWater在完成技術孵化後，也會考慮將自己的技術轉讓給更大的代工廠，從而提升這些技術的產能。最近SkyWater和GlobalFoundries的合作就是這方面的一個例證。這樣一來，SkyWater就完成了一個生態閉環：從為科研機構提供流片服務和工藝合作開發，高校在完成技術開發原型後在SkyWater落地並小規模服務於其他有需要的科研機構，到最後技術在SkyWater經過較長時間的驗證後最終落地到更大的美國代工廠（如GlobalFoundries），這個閉環中的所有環節主要的客户全部都是美國機構，而技術也就留在了美國。

SkyWater值得我們借鑑的地方

SkyWater值得我們借鑑的地方，正式其獨特的定位。它的定位就是一家介於科研與商業之間的，為政府相關項目提供支持和服務的代工廠，同時也提供新工藝方面的合作探索。它的首要目的並非盈利，首要考慮也並非商業化落地，這樣的定位將會為半導體領域的產學研轉化帶來很大價值。目前，在我國也有大量的半導體工藝相關研究，而這些研究，尤其是下一代半導體技術，在進行技術轉化時，往往會遇到研究與商業之間的不匹配問題。在進行研究時，科研機構主要做的是提出未來潛力很大的技術並完成原型驗證；而這些原型技術還需要大量的工程迭代才能真正大規模商用。對於純商業化的半導體代工廠來説，做這些技術的商業落地意味着高風險，因此並不可能投入許多資源去做工程迭代；而打磨工程也並非研究機構的長項，因此最理想的情況是由一個介於中間的小型代工廠來合作開發並完成工程迭代，然後再把孵化成功的技術轉化給大型的商業化半導體代工廠。此外，通過將新的半導體工藝技術首先在這類小型代工廠中投入生產，可以為其他科研機構基於新技術開發應用提供方便，從而真正把新技術的生態做起來。在美國有SkyWater，而在歐洲類似的機構則有IMEC，我們認為我國也可以借鑑這些經驗，從而讓中國半導體行業的產學研轉化更加順暢，同時也加速我國半導體行業的技術發展。