FD-SOI再懟FinFET，GlobalFoundries、三星兵工廠又出新武器

在先進的IC製造工藝方面，由Intel主導的FinFET一直大行其道。

而最近這幾年，SOI，包括FD-SOI和RF-SOI越來越受到人們的關注，特別是隨著物聯網和5G時代的到來，其技術優勢和應用前景也越發地被看好。

眼下，GlobalFoundries（格芯）及其合作夥伴，包括三星、索尼、STM（意法半導體）、芯原微電子等，在FD-SOI方面的投入力度越來越大。

雖然說SOI與FinFET兩種工藝各有千秋，但從目前的情形來看（Intel不久前剛剛宣布推出面對低功耗物聯網的22FFL工藝，這是FinFET的一個變種），兩種製程工藝頗有分庭抗禮之勢。

在應用層面，總的來說，FinFET的目標市場是中高端的高性能集成電路，而FD-SOI則是面向中端的、要求低功耗和高性價比的應用。

FD-SOI優勢何在？

FD-SOI（Fully Depleted-Silicon-On-Insulator，薄膜全耗盡絕緣襯底上的矽），就是矽電晶體結構在絕緣體之上的意思，原理就是在矽電晶體之間，加入絕緣體物質，使兩者之間的寄生電容大幅度降低。

基於薄膜SOI結構的器件由於矽膜的全部耗盡完全消除"翹曲效應"，且這類器件具有低電場、高跨導、良好的短溝道特性和接近理想的亞閾值斜率等優點。

因此，FD-SOI應該是非常有前景的SOI結構。

與體矽材料相比，FD-SOI具有如下優點：1) 減小了寄生電容，提高了運行速度；2) 由於減少了寄生電容，降低了漏電，具有更低的功耗；3) 消除了閂鎖效應；4) 抑制了襯底的脈衝電流干擾，減少了軟錯誤的發生；5)與現有矽工藝兼容，還可減少工序。

FD-SOI是使用28/45/65nm工藝晶片的廠商升級先進節點較為理想的選擇。

以22nm的FD-SOI為例，其研發成本比FinFET低很多，與16nm的FinFET相比，它可以減少50%的MOL設計規則，減少10~20%的總規則。

可以看出，FD-SOI 技術可以平面式片上系統的開發成本實現FinFET的峰值性能。

以下是GlobalFoundries力推的22FDX工藝，與台積電和Intel相應製程的對比i情況。

有調研顯示，很多廠商選擇了FD-SOI技術及其產品。

它在商業方面的應用有幾個比較明顯的優勢，一是它提供了很多產品的差異化，更短的設計周期，更多的設計餘量，並且運用了AMS的設計，簡單易用。

使用FD-SOI還有幾個主要的技術原因，最主要的一點就是低功耗，另外，它還可以實現逆向體偏，並能進行模擬配對。

FD-SOI的市場驅動力

通過觀察宏觀市場的發展情況，我們會發現，現在市場上有幾個主要的動態，而這些都是推廣FD-SOI的絕佳契機，其自身固有的優勢完全能滿足這些市場的需求。

第一，手機的市場趨向飽和，因此這個市場的客戶要求他們的系統能實現更高級別的集成化。

手機市場正在高速變化，但有些需求是始終不變的，比如手機必須在有需要的時候提供非常高的性能，但是它的耗電又必須很低。

另一個市場趨勢就是AI（人工智慧）的盛行，要想做好AI的升級，就必須要求計算機的運行速度、計算速度非常高，總的來講，在移動設備上的要求是，要在需要的時候提供高性能，但是耗電跟漏電都要很低。

第三個，AR和DNN的技術將越來越成熟，我們會看到越來越多的可穿戴設備進入市場和人們的生活，可穿戴設備必須非常小而輕，因此它要求具備非常高速的計算能力，同時耗電要很低。

5G技術快速發展，這就要求很強大的基站以及很好的終端設備。

GlobalFoundries大步前行

記得在去年的這個時候，GlobalFoundries就說要再中國建SOI產線，果然，經歷過一些波折之後，於今年年初於成都市政府合作，開始建兩條SOI產線，目前，工程正在快速建設之中。

作為行業3大晶圓代工廠商之一，GlobalFoundries這幾年一直在大力推廣FD-SOI技術。

該公司於2015年提出了22FDX（22nm工藝）產品規劃，並於2016年舉行的第三屆上海FD-SOI與RF-SOI論壇上，發布了12FDX（12nm工藝）平台計劃和路線圖。

該公司也是業界第一個推出下一代FD-SOI技術路線圖的廠家。

GlobalFoundries計劃在2019年量產12FDX。

據說，12FDX的工作電壓將低於0.4伏，該技術的優勢是能夠改變體偏壓，相比16nm和14nm的FinFET工藝，12FDX的能耗降低了50%。

據說，12FDX可實現接近於7LP工藝的性能，具體如下圖所示。

該公司執行長Sanjay Jha表示，22FDX很好地整合了RF，這也是它相對於FinFET工藝最大的優勢所在，還有很重要的一點是能夠實現智能縮放，無需三重/四重曝光。

對比10nm 的FinFET，它的掩膜成本降低了40%，並且在模擬設計方面也更加靈活，降低40%，這就意味著降低成本，並減少了設計周期。

目前，FD-SOI推廣的最大障礙就是不完善的生態系統以及缺少相關的IP，因此，GlobalFoundries在這些方面做了不少工作。

Sanjay Jha表示，我們的22FDX已經有20個IP合作夥伴，包括INVECAS、Synopsys、Verisilicon、Uniquify等。

目前，整個FDX的生態系統不斷壯大，成員已經由去年的7家，增長到現在的33家。

隨著嵌入式MRAM（eMRAM）的興起，SOI又有了新的用武之地。

22FDX® eMRAM是一個典型代表，其在物聯網、汽車電子等新興應用方面，有著很不錯的發展前景。

近期，格芯就推出了基於22FDX平台的eMRAM技術，主要面向消費領域、工業控制器、數據中心、物聯網及汽車等應用的MCU。

據悉，22FDX eMRAM的存儲單元尺寸在業界處於領先位置，擁有在260°C回流焊中保留數據的能力，同時能使數據在125°C環境下保留10年以上。

FDX平台和eMRAM的能效連同RF連接功能和毫米波IP，使得22FDX成為電池驅動的物聯網和自動駕駛汽車雷達SoC的首選。

22FDX還在ARM的Cortex-A53和Mali-T820上進行了驗證，結果是：與28nm的HKMG工藝相比，Cortex -A53可將面積減少25%，功耗降低43%，從而使得整體性能提升了11%。

三星開始向18FDS進發

三星是FD-SOI的重要推動力量。

由於摩爾定律發展到28nm工藝節點的時候，出現了不同以往的情況，即從28nm開始，再向更高節點發展，如20、16、14、10、7nm等等，每集成電路當中每個電晶體的成本不再下降，而是提升。

所以該公司認為28nm工藝更適合物聯網（IoT）在成本、功耗和性能方面的要求，特別是MCU和傳感器產品。

因此，三星LSI推出了「28FDS」技術和產品，並於2016年開始量產。

三星Foundry業務部門的發展路徑主要分為兩條，從28nm節點開始，一條是按照摩爾定律繼續向下發展，不斷提升FinFET的工藝節點，從14nm到目前的10nm，進而轉向下一步的7nm。

另一條線路就是FD-SOI工藝，該公司還利用其在存儲器製造方面的技術和規模優勢，著力打造eMRAM，以滿足未來市場的需求。

實際上，三星在MRAM研發方面算是起步較早的廠商，2002年就開始了這項工作，並與2005年開始進行STT-MRAM的研發，之後不斷演進，到了2014年，生產出了8Mb的eMRAM。

該公司還研製出了業界第一款採用28FDS工藝的eMRAM測試晶片。

另外，據三星Foundry業務總經理ES Jung介紹，該公司已經不像2016年那樣，只是固守在28FDS，而是開始向18FDS（18nm的FD-SOI）進發。

看來，三星對SOI的樂觀程度有增無減，估計明年這個時候會看到更新的SOI產品推出了。

三星的FD-SOI平台和發展規劃如下圖所示。

IBS眼中的FD-SOI

作為一家市場統計和諮詢公司，IBS（International Business Strategies）對於目前正熱的人工智慧和深度學習有一定的研究，並在其中看到了FD-SOI的機會。

以下是IBS統計的中國半導體市場對各種晶片器件的需求情況和市場規模。

IBS的執行長Handel H Jones博士表示，在巨大的市場需求面前，未來市場一定是屬於AI和深度學習的，而所有重要的市場發展方向和需求都在指向高性能與低功耗，而這正是FD-SOI工藝的優勢所在。

特別是對於中國的半導體市場而言，其發展壯大的趨勢是不可阻擋的。

以手機為例，到2018年，中國的品牌公司出貨將會占到全球總量的60.7%，

對於12nm 的FD-SOI來說，其Gate成本會比7nm的FinFET工藝降低27.0%，再有，FD-SOI的背偏壓能力是低功耗的一大法寶，這一優勢今後還會保持。

FD-SOI的低成本、低功耗和高效能比是其發展潛力的源泉。

從下圖可以看出採用FD-SOI進行設計的成本優勢。

芯原與FD-SOI

作為我國本土的一家IC設計服務企業，芯原微電子（VeriSilicon）一直重點關注著SOI的發展，並做了不少工作。

2013年，芯原與STM（意法半導體）合作推出了ST28nm FD-SOI產品，首次實現了PPA和襯底偏置（Body-Bias）。

2014年，芯原又與三星合作，推出了SEC28nm FD-SOI產品，

2015年，芯原與GlobalFoundries合作推出了GF22nm FD-SOI產品，並且是第一個PPA數據提供商，

芯原還在襯底偏置技術的探索及產品設計方面，投入了很大人力，取得了多個技術成果。

芯原在FD-SOI產業上的推動作用，如下圖所示。

當RISC-V遇上FD-SOI

來自加州大學伯克利分校電子工程和計算機科學系的Borivoje Nikolic教授，帶來了開源處理器架構RISC-V在FD-SOI方面的進展情況。

從2011年至今，該研究團隊已經設計了10款採用28nm FD-SOI工藝的晶片，其中9個完成了功能測試，6款對外發布，1款進入生產階段。

下圖是Raven-3處理器，採用了意法半導體的28nm FD-SOI工藝，運行Linux系統。

Raven-4 RISC-V處理器SoC架構如下：

結語

短短一年時間，FD-SOI取得的進步是明顯的，無論是技術演進、生態系統建設，還是產線建設等等，都在原來的基礎上，向前進了一大步。

不過，目前FD-SOI的市場規模還是相對較小，產品還處於衝量階段，希望明年還會有新景象出現！