昨天,彭博社一篇报道(见原文链接)透露了一些新情况:1、BIS在讨论对全栅极(GAA FET,环绕栅极场效应晶体管)晶体管技术进行出口管制,已经有了规则草案,并且提交给了技术咨询委员会讨论;美国政府还在推动盟友也管制GAA技术。2、BIS在研究对高带宽内存芯片(HBM)施加新的出口管制,也还在讨论,且似乎内部意见还不一致。
我在对美国更新半导体出口管制的分析及对未来的几个判断中提到,美国政府对中国半导体的出口管制标线已经基本确定,下一步进入了补漏洞阶段。BIS过去两年保持了每隔一年进行一次较大的规则修补的节奏(2022年10月7日、2023年10月17日),今年的修补出来的时间节点大概率也在10月份、美国总统大选前。这次对GAA和HBM的出口管制可能是其中的一部分。当然,也存在一种可能是它作为单独的管制规则,在今年夏天左右的时间发布。
GAA的基本原理是在芯片越来越小的情况下,通过改进芯片结构来解决微缩线宽(增加单位面积晶体管密度)带来的更大的漏电问题,是相比它的前辈用于28nm以上节点的平面Planar FET结构、14nm节点之后立体的FinFET结构更先进的芯片结构设计。
早期的芯片制造使用的是平面的Planar FET(平面场效应晶体管)结构。就像一层层的平房,适合比较大的土地(制程节点)。但当我们需要更小的土地(如14nm以下制程节点)时,平房结构就不够用了,而且出了很多问题比如漏电,就像老房子漏水一样。
为了解决这些问题,行业在14nm节点引入Fin FET(鳍式场效应晶体管)结构。就像把平房变成了多层公寓楼,能在相同面积的土地上容纳更多的住户(晶体管)。台积电从14nm到3nm的芯片制造过程中一直使用这种“公寓楼”结构。但是,当公寓楼的每一层楼层高度越来越低,接近3nm时,这种结构也接近它的极限了,就像公寓楼不能无限制地增加层高一样。
GAA这种结构是三星首先发明的,在2022年开始大规模生产3nm的GAA芯片。台积电要在2025年量产的2nm节点会正式采用GAA架构。英特尔也在积极开发被称为Ribbon FET的GAA技术,预计将在其20A节点(2nm等效节点)中使用,2024年量产。这意味着从2nm开始,芯片制造就像是从公寓楼变成了摩天大楼,每一层都环绕着中心柱(栅极),这样就可以在有限的土地上建更多的房间,并且更加节能。未来更先进的节点也将继续使用这种摩天大楼式的技术。
在GAA之后,还会有更更先进的FS-FET(叉片式场效应晶体管)和CFET(互补场效应晶体管)技术,就好比在摩天大楼中加入智能化管理系统,不仅能建造更多的房间,还能更加高效地管理能源和资源。
GAA技术本身门槛不见得有多高,我国现在有一些已经发表的论文和实验室的研究,但了解和知道这种技术和让它工程化和实际落地完全是两码事。因为真正量产这种芯片,需要能设计GAA架构的EDA,但美国2023年已经禁止美国公司对中国出口这种EDA,且还把这种限制纳入了瓦森纳安排,参加了瓦森纳的国家都没法对中国出口,所以GAA在中国的实际应用是被卡了。
中芯国际据说在积极研发GAA,但目前国内最先进的半导体制程工艺只到了7nm,Fin FET都还没有完全掌握。GAA技术是用在2nm和更先进的制程,制造这种芯片需要用到EUV,中国也拿不到。美国要管制GAA,就好比对一个还没学会跑的小孩说要禁止他穿耐克的跑鞋,实际意义和杀伤力都有限。
但就像一些行业专家分析的,中国可以从5nm就开始探索引入GAA,在没有EUV的情况下,用DUV和多重曝光,使用GAA结构,但这样生产的芯片良率肯定会很低,也不可能很快产业化。
彭博社放出的消息没有说BIS具体想怎么管制GAA,考虑到能设计GAA架构芯片的EDA已经管制了,剩下的无非就是两种手段:一是管制使用了GAA技术设计并制造的芯片。由于2022年10月7号以来的半导体出口管制已经基本卡断了14nm以下制程芯片的对华出口,而GAA架构一般是用来设计2nm及更小制程的芯片,所以这样管制的意义很有限。
另一种方法是管制“GAA技术”本身。
BIS可能又会祭出EAR(特别是第744.6节)对“美国人”(美国公民、绿卡、在美外国人、根据美国法律或在美国境内设立的实体)活动的控制,规定这些美国人无论身在何处,如果从事支持研发或使用GAA技术的活动,都得申请许可。
EAR对“支持”的定义很广泛,包括“促进”(让某件事变得更容易)任何运输或履行任何合同或服务,可能以任何方式协助或有利于被禁止的最终用途等。这种“美国人”控制也给BIS权力,可以通知“美国人”某种特定类型的活动“可能涉及”被控制的最终用途。10.7规则限制“美国人”支持支持在中国研发或生产先进芯片和芯片制造设备,导致大批中国fab厂美国员工离职,就是用的这种“美国人”控制。简言之,如果中国的fab厂的GAA项目雇佣了“美国人”,会受到影响。
彭博的消息说GAA的管制规则草案已经提交给了技术咨询委员会讨论,这可能说明BIS出台规则的可能性很高了。因为它一般在一项新规则草案已经比较成熟,需要广泛的技术和行业意见时,才会提交到技术咨询委员会(TAC)讨论。
GAA的规则草案现在很可能在BIS的半导体技术咨询委员会(Semiconductor Equipment and Materials International Technical Advisory Committee, SEMI-TAC)手里,委员会会对规则的技术细节、行业影响和可行性进行评估,并提供反馈和建议。
目前在GAA方面比较领先的有英特尔、IBM等美国公司,BIS应该不会规定地特别严,因为会让三星和台积电等非美国的公司捡漏。美国政府因此也一定会协调盟友拉齐对GAA的管制水位,就像在先进半导体制造设备领域推动达成美日荷兰的协议一样。
事实上,英国在今年3月通过“2024年出口管制修订条例”已经对GAA晶体管和技术进行了出口管制,4月1日起正式生效。英国政府对其的技术描述是:
“环绕栅极场效应晶体管”(‘GAAFET’)是指具有一个或多个半导体导电通道元件,且具有环绕所有半导体导电通道元件并控制其电流的公共栅极结构的器件。 该定义包括纳米片或纳米线场效应晶体管和环绕栅极晶体管以及其他‘GAAFET’半导体通道元件结构。
几年前的瓦森纳安排多边机制会议上,美国和盟友也曾经打算共同管制GAA,但最后因为俄罗斯的一票否决而没有成功。
所以,就GGA实施多边的出口管制在美国和盟友之间是有比较强的政治共识的。但GAA技术确实不同于DUV,掌握它的公司不少,且分散在韩国、日本、瑞士、德国等多个国家和台湾地区,要协调这么多国家和地区,难度不小,能不能成功还有一些变数。
HBM(High Bandwidth Memory,高带宽内存)是一种先进的内存技术。想象你有一栋大楼,每一层楼都是一个书库,里面装满了书。你需要快速找到某本书,但每层楼只有一个楼梯连接,这样就很慢。HBM相当于把多个存储芯片(书库)垂直堆叠在一起(多层堆叠),每个芯片就像大楼的一层,可以在有限的空间放入更多的存储单元(书);它还在每层楼之间安了很多电梯(硅通孔),这样你就可以更快地在楼层之间移动,快速找到你想要的书。这就是HBM的基本原理。
BIS对HBM的管制,彭博透露的信息更少,而且看起来好像还不一定会出。就HBM来说,对我们制约最大的是前端的DRAM存储芯片,因为美国之前的出口管制,已经把我们能获得的这类芯片限制在18nm的水平。在后端的封装方面情况就好很多,需要的键合与解键合设备、电镀与CMP、TSV设备等目前都在逐渐国产替代,至少不存在“有没有”的问题,而是好坏的问题(良率高低),国内肯定慢慢会提升,但确实需要时间。
BIS这次酝酿的对GAA和HBM的出口管制,着眼点还是和中国在人工智能领域的竞争。GAA通过全栅极的3D结构,能够在同样的芯片面积上集成更多的晶体管,意味着计算性能大幅提升,AI模型训练速度加快。另外它还够更有效地控制电流和减少漏电,能耗较低,可以节省大量电力,这在电力供应越来越制约模型训练的当下是很重要的。HBM则大大提高了模型训练所需数据传输的速度和效率,同时也能降低功耗,特别适合需要快速数据处理和高性能计算的模型训练场景。
但这些新的出口管制对国内实际的杀伤力和影响可能是有限的,因为整个行业已经处在被严重限制的状态,市场也有足够的心理预期,不至于像10·7规则刚出来一样引发全面震动。这次的规则,和美国前段要对大模型出口管制的Enforce Act、限制中国公司远程访问美国云服务的Remote Access Security Act等类似,对中国展示强硬的政治姿态大于实际的遏制效果。最近拜登政府出来不少这样的限制政策,估计在11月份大选之前陆续还会有,无须大惊小怪。
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