“传统BulkCMOS工艺技术将在20nm走到尽头,必须用创新的思路和方法寻找新的替代工艺。”----IBS主席兼CEOHandelJones
一、FD-SOI的优势分析
FD晶圆由氧化埋层(BOX)和BOX之上的极薄硅层组成,从而为在此层建成的晶体管提供独特性能,FD-SOI以极薄的顶层确保了晶体管的各种关键属性。与传统BulkCMOS相比,在保持相同性能的前提下,FD晶圆可节省高达40%的功耗。同样,依据不同的设计优化,以全耗尽晶圆为基础的处理器峰值性能最高可增长60%。
图1FD-SOI工艺与BulkCMOS工艺对比
1.1成本优势
美国商业战略公司(IBS)主席兼首席执行官HandelJones在《移动系统芯片市场预测及技术需求》演讲中分析了FD-SOI工艺晶圆方面的成本比较,毕竟在未来的产业化中,成本是个敏感的因素。从他的比较中可以看出,在28nm节点,FD-SOI晶圆有一定的优势,但是到了20nm/14nm,FD-SOI的优势就很明显了,FD-SOI晶圆的成本低于BulkCMOS的,更远低于FinFET的晶圆成本。“我认为只有高端PC或者服务所用的高性能处理器能承受FinFET的高成本,从半导体产业发展来看,智能手机是重要的推动力量,不过智能手机处理器要承受价格和功耗的压力。”HandelJones表示。“所以对于中国IC公司来说,FD-SOI是个不错的技术,它有成本和功耗上的优势。”
IBS的研究也发现,基于BulkCMOS和FinFET工艺技术的发展,28nm以下每百万逻辑门的成本没有降低,到14nm的时候,每百万逻辑门的成本反而升高,显然这不是一个合理的发展方向。
意法半导体公司研发科技部门副总经理Hartmann表示:“FD-SOI技术不仅能得到FinFET全耗尽晶体管带给平面传统技术的全部好处,而且还能实现后者无法达到的先进的负偏压(backbias)技术。”
1.2IP移植的便利性
意法半导体依托FD-SOI工艺在28nm节点实现了主频高达3GHz的双核A9处理器,在手机实际应用中,其功耗比主频1.4GH中的四核A9处理器还低,有力地展示了FD-SOI工艺的优势。
他指出这种FD-SOI工艺可以将工作电压降低至大约0.6V,而相比之下BulkCMOS工艺的最小极限值一般在0.9V左右。使用FDSOI的后向偏置技术可以提供更宽动态范围的性能,因此特别适合移动和消费级多媒体应用。在IP移植上,他表示从BulkCMOS移植到FD-SOI难度并不大,而且,意法半导体也有意开发各类FD-SOIIP给中国IC设计公司。
1.3可扩展性对比
考察一种工艺技术,一定要了解其未来可扩展性,IBS的HandelJones表示,从scaling角度看,至少从14nm到7nm,FD-SOI可以发展三代工艺技术。作为SOI技术的忠实拥趸,IBM已经规划了十代SOI技术。
IBM半导体研发中心项目经理RamaDivakaruni指出,实际上,SOI工艺更易实现高性能存储设计
以IBMpower7处理器为例,基于SOI的嵌入式存储解决方案不但获得了容量的提升,更在性能上大幅提升。
他表示FET工艺有独有的优势,因此FD-SOI工艺技术到7nm工艺节点时,SOI也将从2D发展到3D,即发展为SOIFinFET工艺。SOI与FinFET可谓殊途同归!所以两种工艺并非完全对立的技术。
1.4生态系统建设
一种工艺技术离不开生态系统的支持,实际上,FD-SOI生态系统已经在逐渐成形,从这次高峰论坛看,围绕FD-SOI工艺,已经形成了工艺研究、晶圆、IP、代工厂、IC设计服务公司、IC设计公司的产业链。法国Soitec日本信越(SEH)等号称可以提供每月超过10万片SOI晶圆的产能,除FDSOI已在意法半导体量产外GlobalFoundries已与意法半导体签约有意导入FD-SOI工艺。很多处理器已经采用了SOI工艺,例如任天堂"Wii"、索尼计算机娱乐"PS3"、美国微软"Xbox360"等3款最新游戏机全部配备了采用SOI材料的处理器。SOI的应用也日益广泛,已经应用到各类处理器和产品上。IBS的HandelJones还认为SOI在RF领域的应用潜力非常大。
不过,由于英特尔已经在22nm节点实现了FinFET量产,而FD-SOI还缺乏量产的产品,所以对于FD-SOI来说,现在最或缺的可能就是一个成功故事,这个故事的主角会是谁?
二、中国大陆IC设计公司和代工厂可以利用FD-SOI实现弯道超车吗?
目前,中国大陆的IC设计公司与以及代工业务已经有了极大发展,但是与国际先进公司相比还有一定差距,尤其在代工领域,大陆最先进的代工企业中芯国际与TSMC等相比还有5年左右的差距,由于英特尔和TSMC看好FinFET工艺,本土IC设计企业和代工企业可以利用FD-SOI实现弯道超车吗?中国半导体行业协会IC设计分会理事长魏少军在发言中强调“工艺是基础、设计是龙头,设计必须与工艺紧密结合。”他在发言中期望中芯国际等代工厂尽早做好抉择抓住工艺升级的大好时机。武汉新芯集成电路制造有限公司CEO杨士宁在发言中也表示中国半导体市场需要高性价比的技术,FD-SOI确实是个不错的选择。“我们的客户都说他们需要一种可以提供高性能低功耗移动产品,但是他们也不能保证一定就要使用一种又好又便宜的特殊技术。”他指出,“对于FD-SOI仍需要解决生态系统、设计IP以及成本方面的问题,显然,IC制造企业希望能和IC设计企业共同分担工艺方面的风险。”