美国扶持特种工艺代工厂带来的启示

原创李飞半导体行业观察

近日，美国参议院提出了多项法案，旨在扶持美国本土的半导体行业发展。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。本文将介绍SkyWater在美国半导体行业中的独特地位，并且分析我国可以从中如何借鉴相关经验。

SkyWater是何方神圣

SkyWater是一家在位于明尼苏达州的半导体代工厂，在上世纪80年代由当时著名的计算机厂商Control Data Corporation（CDC）建立，并于1991年被著名的半导体公司Cypress收购。此后，在2008年，SkyWater开始代工业务，并且在2017年最终脱离Cypress开始独立运营。

SkyWater的半导体工艺特征尺寸并不领先，目前支持的最小特征尺寸仅为90nm（65nm还未正式投产），因此先进CMOS工艺并非是其主打方向。我们认为，SkyWater的独特业务主要分两块，一块是抗辐射工艺和相关IP，而另一块就是下一代先进半导体工艺，例如碳纳米管、超导集成电路等。

我们先来看抗辐射工艺和IP。这一块的主要客户中，和政府息息相关的军工、航天等领域的公司都是SkyWaters的重要客户。在抗辐射集成电路领域，SkyWater除了能提供非常高的抗辐射干扰能力（>1Mrad）外，还为客户提供了一系列在抗辐射工艺上得到过验证的IP，其种类包括非易失性存储器（MRAM等）、SRAM、RISC-V处理器甚至eFPGA。这样一来，SkyWater的IP可以帮助这些客户较容易地实现复杂的SoC，从而为军工、航空领域的相关客户提供拥有抗辐射能力同时在信息处理能力上也能跟上主流民用芯片的产品，从而为这些领域信息化的进一步发展提供重要助力。在抗辐射领域，SkyWater于去年收到了美国国防部1.6亿美元的拨款，该拨款旨在进一步扩大SkyWater的抗辐射工艺研发和产能，SkyWater在美国政府心目中的重要地位可见一斑。

除了航天和军工相关的抗辐射集成电路之外，SkyWater的另一个重要业务是和美国高校和研究机构合作，共同研发和孵化下一代集成电路工艺。由于这些美国研究机构在下一代半导体工艺领域的研究资金主要来自于政府，因此从某种角度该领域的业务SkyWater还是在接政府的订单。例如，在美国DARPA高达15亿美元的“电子复兴计划”（ERI）中，SkyWater就是碳纳米管方向扮演了重要角色。ERI碳纳米管方向的牵头人，MIT教授Max Shulaker最近发表在《自然·电子学》的论文就是在SkyWater的碳纳米管工艺上首次实现了在大规模碳纳米管晶圆上的大规模加工加速，可以将原来需要几天的工艺缩短到半小时以内，从而大大降低碳纳米管的门槛。而SkyWater和Shulaker研究组最终想要实现的是使用碳纳米管做单芯片大规模异构集成，使用碳纳米管技术将目前异构集成中的互联密度提升多个数量级，从而为大规模电路带来一次革命。

美国的“军转民”技术

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

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。

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