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美国这两天又搞EDA断供,到底断供了什么?

美国这两天又搞EDA断供,到底断供了什么?

本周五,美国商务部BIS (Bureau of Industry and Security) 发布一项暂行最终规定,主要是对4项技术的出口做出控制:包括宽禁带半导体相关材料氧化镓 (Ga2O3) 和金刚石;特别针对GAAFET晶体管结构的ECAD (Electronic Computer-Aided Design) 软件;燃气涡轮发动机使用的增压燃烧 (Pressure Gain Combustion) 技术。

规定生效时间为8月15日。这项出口限制规定并未特别指明针对中国,不过很显然对美国竞争对手之外的国家和地区半导体技术发展起到了持续的抑制作用,是此前出口限制规定的进一步扩展。lgaesmc

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4项技术中比较惹人注目的是其中“特别针对GAAFET晶体管结构的ECAD软件”。BIS发布新闻稿中明确提到,ECAD是用于设计、分析、优化和验证集成电路或印刷电路板性能的软件工具;而GAAFET技术则是未来半导体尖端制造工艺向3nm及更先进节点迈进的基础。这里的ECAD基本可以窄化为我们常说的EDA工具。lgaesmc

但部分公众号和国内媒体单纯将这一事件解读为“断供EDA”,甚至将范围指向全部EDA工具是片面、错误的。规定全文参见:Implementation of Certain 2021 Wassenaar Arrangement Decisions on Four Section 1758 Technologieslgaesmc

主要针对GAAFET晶体管的EDA工具做出出口限制,对中国和更多国家地区会有什么样的影响呢?EDA作为即将于8月16日、17日举办的IIC 2022(国际集成电路展览会暨研讨会)的重要议题,受到普罗大众的关注。lgaesmc

由Aspencore主办的IIC 2022(国际集成电路展览会暨研讨会)将在8月16日于南京国际博览中心2号馆举办。为期2天的IIC除吸引大量国内外半导体与集成电路相关企业参与展会,同期还将举办2022中国IC领袖峰会、2022国际“碳中和”电子产业发展高峰论坛、MCU技术与应用论坛、高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛、EDA/IP与IC设计论坛,以及2022中国IC设计成就奖颁奖典礼。点击这里报名参会lgaesmc

GAAFET代表了半导体的未来

我们在此前的文章中多番解读过预计明年就会大规模上市的3nm工艺——其中三星(Samsung Foundry)将在3nm这代工艺节点上采用GAAFET结构的晶体管。lgaesmc

晶体管结构随着半导体制造工艺的进步,也经过了多次迭代。20nm工艺以前,平面结构的Planar FET晶体管占据半导体制造技术的主流。但节点发展到20nm工艺之际,因为晶体管越来越小,短沟道效应开始凸显,也就无法进行有效的静电控制。lgaesmc

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来源:Lam Researchlgaesmc

所以FinFET结构晶体管出现了,“Fin”(鳍)伸了出来,如上图所示。这种结构有效增大了沟道接触面积。只要把Fin做得更高,就能达成更宽的有效宽度来提升输出电流。lgaesmc

但在时代进入到3nm节点前后,FinFET结构也开始暴露出问题。首先是随着gate length的进一步变短,FinFET结构也很难再提供有效的静电控制。与此同时,要把单元(cell)结构进一步缩小,Fin的数量也要减,问题就变得更大了。lgaesmc

说到底都是在晶体管持续变小的过程里,性能越来越难以保证。于是GAAFET结构出现:相当于把原来FinFET的Fin水平横置出来,以前叫做Fin,掉个方向就叫nanosheet(所以GAAFET也叫nanosheet FET)。由于nanosheet被gate(栅极)四面环抱,所以就叫gate-all-around FET(GAAFET),接触面积自然也就更大了。lgaesmc

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来源:三星 via WikiChiplgaesmc

三星准备在很快要大规模量产的3nm工艺上采用GAAFET结构晶体管;而台积电和Intel对于这种结构的采用会推迟到2nm——这两家都认为FinFET在3nm节点上仍有性能挖掘的潜力。从台积电的计划表来看,2nm GAAFET晶体管的大规模量产大约是在2025年末。所以GAAFET可说是尖端制造工艺的未来。lgaesmc

哪些芯片会受到影响

对于芯片设计企业而言,如果要用上GAAFET晶体管,自然也就需要对应的EDA工具来协助芯片设计——毕竟晶体管都那么小了,总不至于每个晶体管、布局布线都手动完成吧。而EDA技术的核心暂时掌握在美国的几个主要企业(Synopsys、Cadence、西门子EDA)手里。lgaesmc

台积电、三星之类的foundry厂自然也会第一时间与美国的三大家EDA企业联手,面向芯片设计客户推EDA工具。过去一年我们就听到了不少类似的新闻。lgaesmc

那么美国商务部BIS宣布对这一类EDA工具做出口限制,自然对于其他国家需要用到GAAFET晶体管来实施芯片方案的芯片设计企业,造成了很大的影响。那么近未来究竟哪些芯片会率先应用GAAFET结构的晶体管呢?lgaesmc

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通常尖端制造工艺的成本非常高,所以需要巨大的量来摊薄制造和设计成本。像台积电这样的企业,2022年的CapEx成本投入预计就要达到440亿美元——而且其2nm GAAFET工艺在这其中暂时还只占到很小一部分,未来几年GAAFET晶体管制造技术的持续投入只会让这个数字更夸张。lgaesmc

所以短期内用得起GAAFET晶体管的只会是那些量非常大的芯片,比如说PC与手机的CPU、数据中心的GPU和AI芯片、还有受众与应用范围很广的FPGA大芯片。实际上,我们认为先期GAAFET刚刚大规模量产之际,汽车大芯片都暂时不大可能应用这种先进的晶体管,而至少需要等成本的下降。lgaesmc

现阶段有能力造GAAFET晶体管的foundry厂暂时就只有三星、台积电和Intel。有关三星3nm GAAFET工艺技术,我们此前做过多次分析。预计三星的这一代工艺在性能表现上不会比台积电3nm FinFET工艺强。lgaesmc

那么实则就短期来看(或者至少2026年以前),美国商务部BIS的这项暂行规定暂时不会表现出多大的威力。但基于芯片设计12-18个月的周期,未来1-2年内该出口限制规定就会事实上造成持续的影响。lgaesmc

在国际局势和大环境如此多变的现实世界里,这项新规至少造成了行业更大的不确定性。lgaesmc

区域化趋势的持续与扩散

实际早在本月月初,国外媒体就报道过拜登政府可能将实施一项新的出口禁令,针对尖端芯片制造工艺的EDA软件工具。所以这次的新规出现并不让人感觉意外。虽然当时美国商务部和白宫并未对此作出回应,而且这项新规也并未提到指向中国,但中美双方的对抗局势并不是近期才形成的。lgaesmc

美国针对芯片制造工具的出口限制也已经不是第一次了,不仅是EDA,诸如更上游的装备、材料等均有类似的情况发生。这样的规定对中国当然是个坏消息,毕竟对尖端技术做出技术封锁,中短期内针对某一国家或地区产生的影响会是深远的,尤其GAAFET晶体管涉及到了摩尔定律的持续迈进。长期来看,以中国为代表的国家地区也必然寻求技术突破来对抗这样不合理的霸道规则。lgaesmc

而这样的技术封锁也会造成半导体行业现如今区域化(Regionalization/Localization)趋势的进一步加深。原本作为一个全球化、需要全球协作的产业,当前正因为各方争端造成反全球化现状。不仅是中国,韩国、日本、欧洲等地市场环境的这一趋势也正愈演愈烈。更自主地掌握更全面的技术,似乎已经成为全行业的一大议题。lgaesmc

对半导体与电子科技产业的主题讨论,很快将在下周的IIC 2022(国际集成电路展览会暨研讨会)上展开。EDA作为其中的重要一环也将成为本次研讨会的核心组成部分。lgaesmc

由Aspencore主办的IIC 2022(国际集成电路展览会暨研讨会)将在8月16日于南京国际博览中心2号馆举办。为期2天的IIC除吸引大量国内外半导体与集成电路相关企业参与展会,同期还将举办2022中国IC领袖峰会、2022国际“碳中和”电子产业发展高峰论坛、MCU技术与应用论坛、高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛、EDA/IP与IC设计论坛,以及2022中国IC设计成就奖颁奖典礼。点击这里报名参会,与150+知名展商、国内外行业大咖相聚六朝古都。lgaesmc

责编:Elaine
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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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