美國出口限制新規究竟斷供了什麼?

作者 : 黃燁鋒,國際電子商情(ESMC)

8月12日,美國商務部BIS (Bureau of Industry and Security)發佈一項暫行最終規定,主要是對4項技術的出口進行控制…

四項技術包括寬能隙半導體相關材料氧化鎵(Ga2O3)和鑽石;特別針對GAAFET電晶體結構的ECAD (Electronic Computer-Aided Design)軟體;燃氣渦輪發動機使用的增壓燃燒(Pressure Gain Combustion)技術。規定生效時間為8月15日,這項出口限制規定並未特別針對中國,不過很顯然對美國競爭對手之外的國家和地區半導體技術發展起了持續的抑制作用,是先前出口限制規定的進一步擴展。     4項技術中比較惹人注目的是「特別針對GAAFET電晶體結構的ECAD軟體」。BIS發佈新聞稿中明確提到,ECAD是用於設計、分析、最佳化和驗證IC或印刷電路板性能的軟體工具;而GAAFET技術則是未來半導體尖端製程向3nm及更先進節點邁進的基礎,這裡的ECAD基本可以定義為EDA工具。 但部分中國公眾號和媒體單純將這一事件解讀為「斷供EDA」,甚至將範圍指向全部EDA工具是片面且錯誤的。規定全文可參見:Implementation of Certain 2021 Wassenaar Arrangement Decisions on Four Section 1758 Technologies。 然針對GAAFET電晶體的EDA工具做出出口限制,對中國和其他更多國家會有什麼樣的影響呢? 預計明年就會大規模上市的3nm製程中,三星(Samsung)將在3nm這代製程節點上採用GAAFET結構的電晶體。電晶體結構隨著半導體製程的進步,也經過了多次演進。20nm製程以前,平面結構的Planar FET電晶體佔據半導體製造技術的主流,但節點發展到20nm製程之際,因為電晶體越來越小,短通道效應開始凸顯,也就無法進行有效的靜電控制。  

(來源:Lam Research)

  所以FinFET結構電晶體出現了,「Fin」(鰭)伸了出來,如上圖所示。這種結構有效加大了通道接觸面積。只要把Fin做得更高,就能達成更寬的有效寬度來提升輸出電流。 但在時代進入到3nm節點前後,FinFET結構也開始暴露問題。首先是隨著gate length的進一步變短,FinFET結構也很難再提供有效的靜電控制。與此同時,要把單元(cell)結構進一步縮小,Fin的數量也要減少,問題就變得更大了。 說到底都是在電晶體持續變小的過程裡,性能越來越難以保證。於是GAAFET結構出現:相當於把原來FinFET的Fin水準橫置出來,以前稱Fin,掉個方向就叫nanosheet (所以GAAFET也稱nanosheet FET)。由於nanosheet被閘極(gate)四面環抱,所以就稱為gate-all-around FET (GAAFET),接觸面積自然也就更大了。  

(來源:三星 via WikiChip)

  三星準備在很快要大規模量產的3nm製程上採用GAAFET結構電晶體;而台積電(TSMC)和英特爾(Intel)對這種結構的採用會推遲到2nm——這兩家公司都認為FinFET在3nm節點上仍有性能挖掘的潛力。從台積電的計畫表來看,2nm GAAFET電晶體的大規模量產大約是在2025年末,所以GAAFET可說是尖端製程的未來。 哪些晶片會受到影響 對於晶片設計企業而言,如果要用上GAAFET電晶體,自然也就需要對應的EDA工具來協助晶片設計——畢竟電晶體那麼小,總不至於每個電晶體、佈局佈線都手動完成吧。而EDA技術的核心暫時掌握在美國的幾個主要企業,包括Synopsys、Cadence、西門子EDA手裡。 台積電、三星之類的晶圓代工廠自然也會第一時間與美國的三大家EDA企業聯手,針對晶片設計客戶推EDA工具。那麼美國商務部BIS宣佈對這一類EDA工具進行出口限制,自然對於其他國家需要用到GAAFET電晶體來實施晶片方案的晶片設計企業,造成了很大的影響。那麼近未來究竟哪些晶片會率先應用GAAFET結構的電晶體呢?     通常尖端製程的成本非常高,所以需要巨大的量來攤薄製造和設計成本。像台積電這樣的企業,2022年的CapEx成本投入預計就要達到440億美元——而且其2nm GAAFET製程在這其中暫時還只佔很小一部分,未來幾年GAAFET電晶體製造技術的持續投入只會讓這個數字更誇張。 所以短期內用得起GAAFET電晶體的只會是那些量非常大的晶片,比如說PC與手機的CPU、資料中心的GPU和AI晶片、還有受眾與應用範圍很廣的FPGA大晶片。實際上,我們認為先期GAAFET剛剛大規模量產之際,汽車大晶片都暫時不大可能應用這種先進的電晶體,而至少需要等成本的下降。 現階段有能力研發GAAFET電晶體的代工廠廠暫時就只有三星、台積電和Intel。且預計三星的這一代製程在性能表現上不會比台積電3nm FinFET製程強。那麼實則就短期來看(或者至少2026年以前),美國商務部BIS的這項暫行規定暫時不會表現出多大的威力。但基於晶片設計12~18個月的週期,未來1~2年內該出口限制規定就會造成持續的影響。 在國際局勢和大環境如此多變的現實世界裡,這項新規定造成了產業更大的不確定性。 區域化趨勢的持續與擴散 早在本月月初,國外媒體就報導過美國拜登政府可能將實施一項新的出口禁令,針對尖端晶片製程的EDA軟體工具。所以這次新規定的出現並不讓人覺得意外。雖然當時美國商務部和白宮並未對此作出回應,而且這項新規定也並未針對中國,但中美雙方的對抗局勢並非近期才形成。 美國針對晶片製造工具的出口限制也已不是第一次,不僅是EDA,諸如更上游的裝備、材料等均有類似的情況發生。這樣的規定對中國當然是個壞消息,畢竟對尖端技術進行封鎖,中短期內針對某一國家或地區產生的影響會是深遠的,尤其GAAFET電晶體涉及到了摩爾定律的持續邁進。長期來看,以中國必然尋求技術突破來對抗這個新規則。 而這樣的技術封鎖也會造成半導體產業區域化(Regionalization/Localization)趨勢的進一步加深。原本作為一個全球化、需要全球協作的產業,當前正因為各方爭端造成反全球化現狀。不僅是中國,韓國、日本、歐洲等地市場環境的這一趨勢也正愈演愈烈,更自主地掌握更全面的技術,似乎已經成為全產業的一大議題。 本文原刊登於國際電子商情網站        

發表評論