早在15年前引出FD-SOI这个概念的时候,SoI的基底是个障碍,因为其在硅的顶层需要一层非常薄的膜,薄的只有门厚度的1/3到1/4. 芯原公司CEO戴伟民博士对FD-SOI上的这层薄膜有个经典比喻:“这层膜的平坦度,相当于飞去纽约的飞机一路上下颠簸不超过5厘米。”——听起来几乎是不可能完成的任务。 但膜问题已得到妥善解决!
目前三家基底厂商包括Soitec、SunEdison与 Shin-Etsu Handotai都已可以稳定供货。
而且,好消息是:Soitec授权上海新傲科技( Simgui) 采用其Smart Cut技术,上周在上海工厂生产成功了首块200mm SoI晶圆!
三家代工厂,包括意法半导体、三星、Globalfoundries已经可以提供FD-SOI代工服务。据Globalfoundries称已可将IoT单芯片(控制+无线)的成本控制在1美金以下。
IP领域,芯原已在三年前在公司内部成立了FD-SOI工组小组,已经拥有利用FD-SOI技术实现IoT SoC的经验;Imagination提供的FD-SOI相关IP包括PowerVR多媒体、MIPS CPU和Ensigma通信等;Synopsys已推出用于Globalfoundries 22FDX的设计平台以及模拟/接口/显示IP。
2015 “上海FD-SOI论坛”已经是第三次举办,从与会人数成倍增长上可以看出业界对该工艺的接纳程度,据主办方透露,很多与会者都是主动要求参加,而且EDN记者在论坛上碰到位几位锐迪科的研发人员,该公司之前已经采用RF SoI实现其RF前端和射频开关等,看起来似乎对FD-SOI很感兴趣。
记得中国“大基金”主席在前几个月曾专程拜访法国半导体材料供货商SOITEC,这次也全程参与了两天的论坛——虽然期间没有发布任何官方信息。从论坛来看,产业上游已经做好准备,且从不同角度想向半导体公司力证:Right time, now!
28nm后的转折:成本与功耗带来的机遇
40 nm或32 nm 上,FD-SOI真正优势不明显。但在28nm往后,多类数据表明,这是一个机会。
这张来自IBS的图显示了不同节点下CMOS、FinFET、FD-SOI的门成本对比,明显的,如果说在28nm其成本优势还不明显的话,那么在22/20nm和16/14nm差距就已经很大了。
IBS的CEO Handel Jones指出,对于一些批量大的产品,无论是中国供应链生态系统还是半导体公司,去追随主流FinFET可以支持高性能但是不能给予竞争力,尤其是未来几年非常重要的5G需要高性能的IC,FD-SOI则是最理想的选择。 下图列出了相比不同工艺FD-SOI的具体的优势:
FD-SOI的基底成本确实高(有人说3 x),但FD-SOI由于工艺简化需要更少的膜。所以最终裸片的成本还是更低。数据显示FD-SOI的裸片成本低20%,膜成本低50%。 于是,在这一波移动设备和物联网对于低功耗/低成本的需求下,大家认为:FD-SOI好时机到了。 在制造方面,对于FD-SOI是否需要新的设备?Globalfoundries的回答是,“在28nm生产设备上稍加改造就能实现应用22FD-SOI工艺,改动的部分不足5%。28nm使用的设备虽然有一些折旧了,但是还是可以完全利用来生产新技术,因此我们的成本也可以降低。”
上游都准备齐活了,看看尝鲜者的现身说法
从提供FD-SOI Wafer的材料商,到代工厂,到IP公司,都说现在是Right time,半导体厂商怎么看呢? 现在EDN记者听说过的,只有ST的一款手机处理器,以及飞思卡尔的i.MX系列应用程序处理器采用了FD-SOI工艺,由于ST是自家代工厂,那真正的尝鲜者似乎就只有飞思卡尔了。 看飞思卡尔采用FD-SOI的处理器:
飞思卡尔i.Mx应用处理器业务副总裁Ronald M.Martino指出,FD-SOI的好处还包括对功率性能,低Vdd,静电改善;模拟和RF性能可以提供更好的增益/匹配/噪声;更低的制造风险,简化集成/更快TAT,扩展28nm,简化的二维器件。 没有什么能比用户的现身说法更具说服力了——飞思卡尔对比了i.Mx的裸片成本对比:
下图是ST给出的FD-SOI在功耗方面的改善:
以及FD-SOI对模拟应用的改善:
下图显示的是ARM cortex A7在22FDX上的实现情况,该技术是首个基于A7、在大于500Mhz时实现0.4V操作电压的:
来自硅谷的设计公司Synapse从2011年就开始着手FD-SOI,目前已经完成了4个FD-SOI设计项目,还有3个正在进行中。
些具体应用会更适合FD-SOI?
22nm往后FD-SOI的发展计划Globalfoundries没有指明,而是一味强调22nm FD-SOI会有很长的生命周期。 戴伟民也认为在混合信号领域22nm FD-SOI会持续很长时间,“但是,在一切都被验证过之前,人们不想使用它,虽然芯原只有IP,但我们甚至会帮助客户去做出样品来证实。这两年有很多变化,ST和三星都有承诺,我们在一条船上。”
对于混合信号和机遇RF的设计来说,以FD-SOI来实现是非常有效率的,time-to-market也比Finfet更短,Jones指出。 下图是Jones指出的适合FD-SOI的应用:
可以看到,从处理器、调制解调器/接收器、图像信号处理器、SSD控制器、WiFi/蓝牙/NFC到各种IoT应用,都能从FD-SOI获益。 三星和Globalfoundries现在都是同时提供FD-SOI 和 FinFET工艺。对于IC设计公司来说,面对向22FDX平台的设计,在数字设计流程方面和Bulk是类似的,转移也很简单:
下图是ARM的一张数据,特别值得感慨:这几年合作伙伴的出货量涨了70倍,但产值才涨了3倍——勤劳的半导体人!
最后,无论是IoT的需求趋势,还是中国半导体产业的弯道超车的机会,在选择新工艺时,半导体公司的确还是要更多的权衡关于生态环境、新技术的未来发展等,这些都会深深影响公司的发展方向。
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