美国防部！投资晶圆厂！

美国晶圆厂SkyWater Technology今天宣布，美国国防部 (DOD) 正在资助一项价值 2700 万美元的其他交易 (OT) 协议选项，以进一步开发其 90 nm 战略抗辐射 (RH90) FDSOI 技术平台的知识产权 (IP)。这是 SkyWater 与国防部之间的最新协议，旨在确保美国制造的芯片来源可靠且可信赖，用于战略防御和太空应用。

这是 SkyWater 的 RH90 技术路线图的又一步，也是国防部先前宣布的对SkyWater 投资高达 1.7 亿美元以扩大战略抗辐射电子产品的陆上生产能力的一部分。国防部最近确定 SkyWater 已成功完成基地原型项目。

SkyWater 的 RH90 平台基于麻省理工学院林肯实验室的 90 纳米完全耗尽绝缘体上硅 (FDSOI) 互补金属氧化物半导体 (CMOS) 工艺，该工艺旨在生产能够承受严苛环境的抗辐射（抗辐射）电子产品辐射环境。辐射效应会迅速降低微电子器件的性能，如果不加以缓解，可能会导致性能受损、故障或完全失效。林肯实验室开发了 FDSOI 工艺，使集成电路能够抵抗极端辐射水平引起的退化和故障。

“作为唯一一家拥有和经营纯半导体代工厂的美国投资者，我们致力于在芯片制造回流方面发挥我们的作用。与国防部的这种合作是 SkyWater 众多公私合作伙伴关系的一个例子，这些合作伙伴关系使我们在进一步保护和加强我们的国内半导体供应链方面取得了长足的进步，”SkyWater 总裁兼首席执行官 Thomas Sonderman 说。“随着美国在技术创新方面继续引领世界，SkyWater 将继续努力满足美国政府的关键需求，提供国内制造国防和航空航天应用设备所需的可信半导体技术。”他接着说。

带你了解一家不一样的晶圆代工厂

赛普拉斯半导体公司（Cypress Semiconductor）在美国的明尼苏达州拥有一座芯片制造基地，主要用于生产模拟和特种工艺类芯片。该基地最初是由Control Data公司创建的，在20世纪90年代被赛普拉斯收购。在那之后的25年多的时间里，赛普拉斯将该工厂的制程工艺逐步演进至65nm。
而在2017年3月1日，一家名为SkyWater的晶圆代工厂成立了，并接管了原本属于赛普拉斯的这座芯片制造基地。据该公司的CEO Tom Sonderman介绍，该工厂所采用的常规制程为130nm和90nm，也可以实现65nm芯片的生产。据悉，该工厂专注于为物联网应用制造高容量的小批量产品，如专用SRAM和混合信号电路，而赛普拉斯在这里已经拥有原型和工艺研发业务，SkyWater继承了这份“遗产”。
假设200毫米直径的晶圆有30个掩膜层，则该工厂的生产能力约为每月12,000片晶圆，这比赛普拉斯出售该设施时所具有的产能要小，但这种容量计算取决于所处理电路的复杂程度和产品组合。

• Oxbow

据悉，是总部位于明尼苏达州的私募股权公司Oxbow Industries LLC推出了SkyWater，该公司专门与公司管理层合作购买和建立业务。必要时，Oxbow还向其公司注入管理人员，例如，Sonderman就是从半导体设备公司Rudoph Industries招募过来的，他之前在Globalfoundries工作了很多年，在晶圆代工方面经验丰富。
Sonderman在SkyWater招聘管理工作中度过了前15个月，并建立了“技术代工”的能力，这些能力可以引起业界的共鸣，并帮助SkyWater获得动力。
Sonderman认为，制造工艺经过几十年的稳定发展，以及线宽不断微缩的情况下，现在需要进一步强调制程创新，以为5G通信和人工智能驱动的后智能手机时代做好准备。
2017年3月1日，SkyWater的收入中，有97％来自赛普拉斯，3％来自一家名为Parade Technologies Ltd的公司.，该公司于2015年从赛普拉斯收购了TrueTouch电容式触摸传感业务。Sonderman表示，2018年，SkyWater的收入当中，约有60％源于与赛普拉斯的合作，另外的40%则来源于代工业务。他补充说，这些比率包括晶圆生产和工程收入流。

• 受到美国政府青睐

Oxbow Industries参与收购该公司的原因之一是，它看到了一家在美国本土拥有工厂的企业可以支持美国政府的目标和计划，特别是当前政府关注的美国处于技术领先地位的，以及本土制造业。据悉，SkyWater在代工厂成立后的几周内就被美国国防部授予了1A级可信赖Foundry 厂称号。
这肯定有助于SkyWater获得更多的合同订单。虽然其他客户并不直接要求这种资质，但它能有资格接受美国政府的计划工作，可以说明其具有强大的信息处理系统和能力。也就是说，处理敏感信息的安全性和严谨性可以使SkyWater的所有客户受益，无论他们身在何处。
Sonderman表示，该公司打算在传统的混合信号CMOS工艺方面进行批量生产，并且正在进行相关的开发工作，该开发与200mm直径硅晶片的制造兼容。
目前，SkyWater的主流制程是130nm S8工艺，支持嵌入式闪存和RF的可编程片上系统设计，适用于汽车和物联网应用。SkyWater还可以提供一项技术，通过低温读出IC（ROIC）和基于MEMS的微测辐射热计成像实现红外成像。SkyWater具有130nm和90nm的标准PDK [物理设计套件]。

• 技术特色

SkyWater提供研发设施，以帮助客户开发新技术，并使其成熟到商业或量产的成熟度。这些创新工程服务在量子和超级计算的超导性、高速通信的硅光子学、MEMS、生物医学电路、抗辐射电路等领域中运行。
SkyWater还为制造技术进出工厂提供支持，这可能发生在两个方向。
Sonderman解释说，制造工艺可以在Bloomington商业化，并在那里采用200mm晶圆的合理产量，但是当需要更大的产量时，SkyWater将能够将工艺转移到更高容量的工厂，从而使客户受益，同时可以使SkyWater为更多的创新活动腾出空间。同样，批量代工厂通常希望将其生产平衡为较高产量设计的较低组合，因此希望减少批量生产。“我们正在与一家大型代工厂合作，将技术转移到我们的工厂。我们处于一种可以在市场上弥补这种差距的模式，”Sonderman说。
Sonderman强调，SkyWater不会作为一个溢出（overflow）的制造工厂运作，那样的话会被更大的代工厂制约。“我们将拥有自己稳定的客户和关系，”他说。
Sonderman继续说道：“我们的技术代工模型与专业代工厂或More-than-Moore代工厂之间的区别就在于此。More-than-Moore方法强调支持客户在基于独特IP的硅的前沿竞争能力，以及能够处理超出硅的新材料。SkyWater在我们支持的制程工艺方面并不具备领先优势，但是，我们专注于为客户提供创新工程服务，以开发新技术和设备的流程，相应的PDK与其它代工厂不兼容。“

• 制程工艺

SkyWater正在追求的高度差异化的技术之一是基于碳纳米管的FET工艺。该技术在SkyWater的一个名为3D SoC的计划中提出，并由美国国防高级研究计划局（DARPA）根据其电子复兴计划（ERI）提供资金。
“该计划的目标包括展示单片集成的3DSoC，预计可提供90nm尺寸，与7nm硅基性能相比，具有50倍的速度优势。这项技术可以代表一种全新的计算范例，也可以进一步发展并扩展到更高级的节点，以获得更大的性能优势，“Sonderman说。
低维材料，如石墨烯和硫化钼（molybdenum-sulphide），已经研究了很多年，它们在商业阶段的首次亮相即将出现。SkyWater也很愿意参与新一代化合物半导体，如硅锗、碳化硅和氮化镓的研究工作。
SkyWater还在MEMS领域进行着研发工作，正在研究采用氧化钒（vanadium-oxide）技术的图像传感器。另外，在硅光子学方面的工作已经持续了三年多的时间，现在已投入生产。该工厂一直在用D-Wave进行超导工作（关于量子计算）的研究，至今已有6年多了。

• 业务拓展

“我们看到，市场对我们的技术代工业务模式有着强烈的需求，并且产能利用率很高，”Sonderman说，处理200毫米直径的晶圆是这类业务的最佳选择，短期内没有将其转移到300毫米晶圆的计划。不过，他补充说，该公司正在寻找扩大产能的选择和途径，包括对已有工厂的扩张，还有收购和其它形式的合作等，不仅要扩充产能，还要拓展整体水平和能力。
Sonderman说，尽管Bloomington工厂几乎装满了设备，包括一个重要的测试设施，因此可以在那里进行改造。第二种选择是从现有工厂挤出更多的空间，以扩充洁净室区域。

美国扶持特种工艺代工厂带来的启示

2020年6月10日，民主党和共和党在参议院共同推出了CHIP法案，该法案提出要花100亿美元在美国本土建设下一代半导体厂，同时给半导体行业的相关研究拨款120亿美元。6月25日，两党议员又在参议院推出了美国半导体制造厂法案（American Foundries Act），该法案提出为美国国内的半导体生产和研究拨款150亿美元，同时为国家安全相关的关键半导体生产拨款50亿美元。

这两个法案的推出，无疑是因为美国政界意识到美国在半导体生产领域已经不再处于全球最领先的地位。目前，排名靠前的主流半导体代工厂中，美国只有一家GlobalFoundries。但是，我们也必须看到，在下一代半导体工艺器件等研究领域，美国的科研实力仍然引领着全球，而美国政府想要做的，就是把这些全球领先的研究成果尽量留在美国本土落地。这也是前述的两个法案都提出要花大量资金扶持本土下一代半导体生产技术的原因。而在这些政府投资的背后，我们看到有一家名声不显却在各项半导体孵化计划中扮演重要角色的半导体代工厂SkyWater。就在以上法案公布后，SkyWater宣布和GlobalFoundries签署了谅解备忘录，两家公司将在多个领域的产品上做交叉授权。
在美国，政府在拨款进行半导体领域相关的研究时，往往会有一个条款，即相关的芯片设计或工艺验证需要在政府认证的“可靠代工厂”（trusted foundry）中完成，而SkyWater就属于美国少数几家有能力和意愿与科研机构进行合作工艺开发的trusted foundry，这有点类似中国的“军转民”概念。但是，SkyWater的经营理念并不是从政府获得补助，而是为获得政府支持的机构提供服务。军工、航天等领域自然不必赘述，SkyWater和科研机构的合作更值得分析。一方面，SkyWater的工艺为各种有需要的研究机构提供MPW等流片相关的服务，以及合作开发工艺的机会。除了之前提到的和MIT等高校的碳纳米管合作项目之外，SkyWater还与Google一起在近日发布了130nm的开源PDK，供半导体相关的研究人员免费试用。虽然130nm已经是十多年前的技术，但是其仍然能为一些集成电路的新设计提供物理设计验证。SkyWater的开源PDK将帮助从事电路设计研究的人员更快更好地完成概念验证，而省去了PDK授权的过程。另一方面，SkyWater也是科研机构技术转化的出口。在上周，MIT的林肯实验室发布消息，称其完成了将自己的抗辐射半导体技术研究在SkyWater的商用化，相信这也是科研机构向SkyWater做技术转化的一个例证。最后，SkyWater在完成技术孵化后，也会考虑将自己的技术转让给更大的代工厂，从而提升这些技术的产能。最近SkyWater和GlobalFoundries的合作就是这方面的一个例证。这样一来，SkyWater就完成了一个生态闭环：从为科研机构提供流片服务和工艺合作开发，高校在完成技术开发原型后在SkyWater落地并小规模服务于其他有需要的科研机构，到最后技术在SkyWater经过较长时间的验证后最终落地到更大的美国代工厂（如GlobalFoundries），这个闭环中的所有环节主要的客户全部都是美国机构，而技术也就留在了美国。
SkyWater值得我们借鉴的地方，正式其独特的定位。它的定位就是一家介于科研与商业之间的，为政府相关项目提供支持和服务的代工厂，同时也提供新工艺方面的合作探索。它的首要目的并非盈利，首要考虑也并非商业化落地，这样的定位将会为半导体领域的产学研转化带来很大价值。目前，在我国也有大量的半导体工艺相关研究，而这些研究，尤其是下一代半导体技术，在进行技术转化时，往往会遇到研究与商业之间的不匹配问题。在进行研究时，科研机构主要做的是提出未来潜力很大的技术并完成原型验证；而这些原型技术还需要大量的工程迭代才能真正大规模商用。对于纯商业化的半导体代工厂来说，做这些技术的商业落地意味着高风险，因此并不可能投入许多资源去做工程迭代；而打磨工程也并非研究机构的长项，因此最理想的情况是由一个介于中间的小型代工厂来合作开发并完成工程迭代，然后再把孵化成功的技术转化给大型的商业化半导体代工厂。此外，通过将新的半导体工艺技术首先在这类小型代工厂中投入生产，可以为其他科研机构基于新技术开发应用提供方便，从而真正把新技术的生态做起来。在美国有SkyWater，而在欧洲类似的机构则有IMEC，我们认为我国也可以借鉴这些经验，从而让中国半导体行业的产学研转化更加顺畅，同时也加速我国半导体行业的技术发展。