三大晶圆厂商取得重大突破,FD-SOI前景看好

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  日前在上海举办的FD-SOI论坛上,参会的中外同行明显比去年多,而且,对于FD-SOI的自信也明显的写在了他们的脸上。而作为衬托的是,来自中国地方政府的官员也增多了,比如来自成都、重庆的地方官员,他们都希望将传说中的中国首条FD-SOI 12寸产线落户到自己的产业基地。

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  这一次会议,SOI的三大晶圆代工领头羊——意法半导体(ST)、格罗方德(GlobalFoundries)与三星半导体均宣布了重大突破。

  意法半导体这一次则是带来了几乎令参会的老外们集体“高潮”的产品——外观华丽的华米最新的动动手表。虽然这款手表两周前在北京发布了,但是这一次,因为它里面采用了索尼的一颗最新的基于28nm FD-SOI的GPS,而这颗GPS由意法半导体代工。基于意法与三星的合作伙伴关系,前者仅会做小批量的代工,量大后则可能会转移到三星,而它里面的重要的薄膜基材采用了Soitec公司的产品,而这一家公司可以说是FD-SOI的最大推动者,多年的努力,终于迎来了FD-SOI首款大批量量产的芯片。所以,从索尼、到意法半导体、到三星、到Soitec都为这一产品激动不已。“它是我们的Baby。”Soitec的副总裁、SOI联盟的执行官Giorgio Cesana以这样一种情不自己的语气说道。

  而格罗方德宣布了将在2019年上半年为客户流片基于12nm的FD-SOI(GF称为12FDX)产品,这也是FD-SOI产业首次明确的向大家展示了FD-SOI的路线图,指明了方向。同时,格罗方德还宣布,明年年中将有超过10个客户的基于22nm FD-SOI工艺(22FDX)的芯片进入量产,而目前已有22FDX的客户超过50家。“我们的基于软件控制的体偏FD-SOI工艺,可以实现定制的‘按需提供峰值性能’,同时平衡静态与动态功耗从而实现了最优的性能与功耗匹配。加上SOI工艺对于RF和模拟器件的集成优势,这对于未来的主流手机芯片、5G、VR/AR、IOT都是最合适的工艺选择。”格罗方德产品管理事业群高级副总裁Alain Mutricy表示。他预测,2019年他们的12FDX量产时,将会是手机芯片公司的重要选择。“那些极高端的智能手机芯片可能仍会采用FinFET(到时可能会是7nm FinFET),但是大部分主流的手机,采用我们12FDX已经足够,我们能够以低于16/14nm FinFET的成本与功耗提供等同于10nm FinFET的性能。”Alain Mutricy称。

  相对于格罗方德的激进,三星则是更稳成一些。三星LSI执行副总裁Jong-Shik Yoon向大家宣布,经过几年的努力,去年底他们已解决了28nm FD-SOI的良率问题,现在正式宣布28nm FD-SOI工艺已经成熟,并且已有超过12个客户的芯片正在流片中,主要针对的是IOT芯片以及MCU产品。“我们认为28nm FD-SOI将会是一个很有前景,很长生命周期的工艺。”他表示。而对于28nmn FD-SOI的演进路线,他虽然没有透露详细的内容,但是他表示:“三星已经完全做好了准备,开始下一代FD-SOI的技术。”他幽默地透露:“可能不仅有28nm FD-SOI。”

  索尼IOT业务部总经理松冈伸泰解释,由于采用了最新的28nm FD-SOI,这一颗最新的GPS(5603GF)电压也由之前的1.1V降到0.6V,而功耗由前一代的6.3mW降到了1.5mW。“我们与代工厂一起,克服了挑战,将所有逻辑电路、SRAM以及模拟电路的电压都降到了0.6V,所以实现了GPS芯片的功耗大幅下降。”他说道。

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   图题:这就是那颗让索尼、意法半导体、三星、Soitec都无比激动的GPS芯片,华米新发布的运动手表首次采用。SOI联盟的人称之为“我们的Baby。”

  这一次会议上,来自业界的权威更是乐观地预测了FD-SOI在7nm上的可能性。法国原子能中心科研所(CEA Tech)下属研究机构CEA-LETI 首席执行官Marie Semeria指出:“我们通过芯片上的一些测试,对FD-SOI在7nm 上的实现作出非常乐观的预测。”而来自国际半导体权威调研机构IBS, Inc的创始人兼CEO Handel Jones也表示,“我们认为FD-SOI可以扩展到7nm。”

  “本届奥运会中国女排得冠告诉我们一件事情,关键不在于你赢过多少次,而在于是否赢得了关键的那几次。”芯原半导体总裁兼CEO戴伟民博士说道,并且他提出一个新的理论:“由于FinFet的高成本与设计挑战,在5nm节点,FinFet是否会与FD-SOI融合呢?”

  FD-SOI为什么会比FinFet成本与功耗都低?

  为什么格罗方作德(GlobalFoundries)表示,12FDX能够以低于16/14nm FinFET的成本与功耗提供等同于10nm FinFET的性能呢?竟其原因,是FD-SOI采用了更简易的平面晶体管工艺,并且减小了掩膜数与曝光切割。如下图所示。

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图题:FD-SOI实现低成本与低功耗的原因

  以具体数值来看:

  1、16nm/14nm FinFET工艺成本相当于28nm的两倍

  2、16nm/14nm FinFET工艺设计周期是28nm的2.4倍,7nm是28nm的5倍,而格罗方德目前成熟的22FDX与16nm/14nm FinFET工艺相比可以减少曝光切割50%以上,可以减少40%掩膜成本,而且无Fin-specific规则。“该平台支持全节点缩放,性能比现有FinFET工艺提升了15%,功耗降低了50%。而掩膜成本则比少于10nm FinFET工艺减少40%!”格罗方德的Alain Mutricy称。

  在能效方面,22FDX由于可以做到超低电压0.4V运行,超低漏电(1pA/um),所以功耗下降不少。前面说的索尼那个意法代工的GPS芯片,28nm FD-SOI电压也可降到0.6V,所以功耗都实现了大幅降低。“不使用体偏,FD-SOI的漏电可以省25%,加上体偏,漏电可以再省5%。”Alain Mutricy表示,“并且格罗方德采用了软件可控的体偏,可以实现按需设计峰值,定制芯片的性能。这个功能对于智能手机、人工智能处理器以及VR/AR都十分重要。”

  芯原半导体董事长戴伟民博士十分看好FD SOI,他指出,“从传统的体硅转向FD-SOI就像是换个跑道那么简单,但是,如果要转向FinFET,挤到FinFET的跑道就十分困难了。”芯原半导体与格罗方德、三星以及意法三家FD-SOI代工厂都有合作关系,帮助客户进行ASIC设计,对接FD-SOI工艺。

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图题:16/14nm Finfet与14nm FD-SOI的成本比较(来源:IBS)

  FD-SOI对射频器件的集成优势将助力5G与NB IOT

  作为绝缘硅,SOI对于射频器件比传统的体硅有天然的优势,这也是业界一致认为FD-SOI更适合于物联网IOT、5G、以及智能汽车SOC的重要原因。除了对RF的集成,现在几大代工厂商,包括三星、ST以及格罗方德都已实现将RF、模拟、eNVM以及高级逻辑在FD-SOI上整合的能力。并且,大家正在努力将高带宽的PA等高功率器件也集成进入FD-SOI,窄带宽的PA已实现CMOS集成,或者是在RF-SOI上的集成,比如wifi、蓝牙、zigbee等已实现全集成。“相比于体硅,SOI可以实现更高的漏极效率、可以实现更高的频宽,支持到未来的5G标准。”智慧微电子CEO李阳解释,他们目前通过混合RF-SOI与GsAs工艺,实现了部分频段LTE PA器件量产。

  现在,大家最关注的是能否用FD-SOI工艺实现最热门的NB-IOT的集成。“我认为中国厂商的机会是通过FD-SOI实现弯道超车,比如在此工艺上实现全集成的NB-IOT。”戴伟民博士表示,他们已开始与中国客户在进行此项目的研发,比如大唐联芯,“FD-SOI对射频器件的集成优势,是我们看中它的主要原因。”联芯科技高级副总裁成飞表示,不过,他也分析道,“虽然NB IOT带宽比较窄,但如果要达到23db的增益,用FD SOI实现也还有比较大的挑战。”不过,对于FD-SOI目前的最大挑战是IP数量较少,不能满足RF器件的需求。Invecas是FD-SOI的IP提供商,但是目前还缺少一些核心的IP,比如GPS。

  大家对于FD SOI的另一个重大机会则是来自于5G通信标准的RF器件集成,特别是毫米波的5G应用,相比于FinFET,由于SOI可以支持到更高的频率,它具有绝对的优势。

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   图题:FD-SOI在毫米波集的RF集成上有天然的优势,非常适合于未来毫米波段的5G芯片全集成。

  上图中,意法半导体展示了60Ghz频段的WiGiG功率放大器,这也为未来毫米波段的5G芯片全集成铺好了路。此外,FD-SOI工艺对于数据中心将采用的硅光子器件也有优势。

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  图题:FD-SOI工艺对于数据中心将采用的硅光子器件也有优势。

 

 
 
 
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