一亿颗出货量之后,FD-SOI还要翻越哪些山丘?

王树一 TechSugar 2019-09-21


“到2019年底,我们将出货一亿颗FD-SOI芯片!” 在由芯原微电子主办的第七届上海FD-SOI论坛上,格芯中国区总裁、全球高级副总裁Americo Lemos,一字一顿地把这句话重复了两遍。



文︱王树一

图︱网络



2000年前后,胡正明教授公布FinFET(鳍式晶体管)与FD-SOI(全耗尽型绝缘体上硅,Fully Depleted Silicon On Insulator)技术,为25纳米及以下半导体工艺发展指明方向。台积电和英特尔都选择了FinFET工艺,这使其成为逻辑工艺的主流方向;在FD-SOI方向,意法半导体最早于2012年量产,2015年三星电子开始提供28纳米FD-SOI代工服务,而格芯(Globalfoundries)则跳过了28纳米,直接提供22纳米FD-SOI代工服务。


格芯22纳米FD-SOI工艺被命名为“22FDX”,从2018年开始提供代工服务,当年有14个项目流片,2019年将有26个项目流片,根据量产进度,格芯预计2019年底可以出货1亿颗FD-SOI芯片。“到2019年底,我们将出货一亿颗FD-SOI芯片!” 在由芯原微电子主办的第七届上海FD-SOI论坛上,格芯中国区总裁、全球高级副总裁Americo Lemos,一字一顿地把这句话重复了两遍。


格芯预计2019年出货1亿颗FD-SOI芯片


在晶圆制造领域,论FD-SOI生态的丰富性,现在还当属三星,28纳米FD-SOI工艺量产经验已经有3年以上,客户投片项目中涵盖消费电子、物联网/可穿戴、网络/边缘计算设备、汽车电子/工业应用等多个领域,并在开发下一代18纳米FD-SOI工艺,虽然三星未披露相关数据,但依据其量产项目推测,应该早已经过出货超过一亿颗。相对而言,意法半导体对代工业务兴趣不大,而格芯的22FDX在2018年才开始投产。但在笔者看来,FD-SOI生态能否真正繁荣,将与格芯今后三五年的规划息息相关。


这是因为,FD-SOI只是三星多样化布局中的一个分支,在代工领域的竞争,三星仍将以FinFET为主要投入方向,FD-SOI是FinFET的补充。格芯则不一样,在放弃7纳米及以后先进工艺研发之后,只有FD-SOI才是其在逻辑工艺上与台积电实现差异化的关键。FD-SOI这条路线即使走不下去,也不影响三星在代工市场的地位,但格芯如果不能在FD-SOI或其他差异化逻辑工艺上取得成功,前三位置估计就很难保住了。


所以,FD-SOI芯片出货量将过亿对格芯意义重大。当然,对一款芯片产品而言,出货量过亿或许代表着不错的成绩,但对一种工艺而言,出货量过亿不过是刚刚开始,FD-SOI工艺要成为30纳米以下逻辑工艺的重要分支,还需要做到哪些呢?


低功耗之外的特性要被用户真正应用起来


相比传统体硅工艺,FD-SOI的主要特色之一是低功耗。由于阈值电压低,所以体硅工艺改用FD-SOI工艺可以大幅降低供电电压,从而降低功耗。


目前为止最成功的FD-SOI芯片产品系列,当属索尼的CXD56系列,索尼半导体总经理Kenichi Nakano介绍,通过将工艺更改为28纳米FD-SOI,并进一步优化电路设计,CXD5605GF的功耗由上一代的30毫瓦,下降到6毫瓦(每秒更新位置信息情况下的数据)。索尼表示,这是全球最低功耗的卫星导航定位芯片(GNSS),而下一代CXD56035GF还将在CXD5605GF的基础上降低20%功耗。采用FDX22工艺的瑞芯微RK1808功耗也比上一代降低了30%,恩智浦和意法半导体等公司相应产品也都提到了FD-SOI在功耗方面的杰出表现。


FD-SOI工艺的低功耗特性已经被众多行业用户认可,但除了低功耗之外,FD-SOI还有一系列极具潜力的特点有待发掘,比如体偏置(Body-bias)带来的性能与功耗的更好平衡,比如超低软件错误率(soft error rate)带来的系统健壮性,以及在射频集成上的便利性。在这些特性挖掘上,部分厂商走在了前面。


在射频方面,三星电子高级副总裁Gitae Jeong在会上宣布,三星28纳米FD-SOI工艺已经有第一款5G毫米波产品,该工艺有着非常出色的隔离效果,目前支持增益截止频率(ft)至110GHz,最大谐振频率(fmax)则大于400GHz。


三星已经生产出28FDS工艺的毫米波产品


在软件错误率上,意法半导体提供的数据显示,相比体硅工艺,28纳米FD-SOI有数量级的提升。FD-SOI工艺不存在闩锁(Latch-up)效应,而应对alpha粒子辐射软件错误率仅为体硅工艺的千分之一,应对中子辐射软件错误率为体硅工艺的百分之一,非常适合航空航天等抗辐射应用。


FD-SOI工艺提供优异的软件可靠性


论坛主持人,芯原微电子创始人、董事长兼总裁戴伟民指出,体偏置是FD-SOI的特殊优势。恩智浦基于FD-SOI工艺的i.MX系列处理器,在不同的电源域,利用不同的体偏置方法来提升芯片的能效比。


体偏置示意图


除了上述特性,这次论坛上另一个热点是嵌入式存储。三星在2019年3月宣布推出基于28纳米FD-SOI的量产版eMRAM(嵌入式磁随机存储器,embedded Magnetic Random Access Memory),并有容量达1Gb的eMRAM展示方案,而且已经将eMRAM技术应用于FinFET平台。


三星量产28FDS的eMRAM


格芯也宣布推出支持22FDX的eMRAM技术。意法半导体则力推ePCM(嵌入式相变存储器,embedded Phase Change Memory),意法半导体Stellar系列微控制器是其第一代基于FD-SOI工艺的车载MCU,ePCM读写速度很快,读取周期小于12纳秒,代码写入速度可达0.8MB每秒,温度特性也很好,能适应165℃工作环境,回流焊(260℃作业2分钟)操作并不影响存储数据,因此非常适合汽车等严苛应用场景。


随着终端应用复杂度提升,处理数据量也不断提高,对嵌入式微处理器与微控制器的存储性能提出更高要求,不论是eMRAM,还是ePCM,都是极有潜力的新型存储技术,如能在市场应用中得到证明,将有力促进FD-SOI工艺的发展。


要切入主流应用


FD-SOI生态还没有进入良性运行阶段的主要原因是规模偏小。规模小,成本就难以达到最优,虽然相同节点FD-SOI流片费用低,但从综合成本来看,FD-SOI并不占优势。当前量产的FD-SOI产品中,除了索尼的GNSS芯片量比较大,还没有其他有足够量的明星产品。意法半导体的Stellar系列处理器性能不错,车载MCU市场总量也不小,但分到单一系列产品的市场份额则不多,毕竟全球汽车销量也就是八九千万辆,不同厂商之间区别很大,不太容易出现一款芯片包打天下的情况。恩智浦的i.MX系列芯片与之类似。


在现场的投票环节,专业观众对FD-SOI应用领域最看好的依次是可穿戴、5G和低功耗广域网(LPWAN)。IBS首席执行官Handel Jones看好802.11ay(60GHz)/802.11aj(45GHz)芯片将是FD-SOI下一个能真正起量的产品,戴伟民则指出,图像传感器(CIS)市场规模巨大,IBS预测2027年出货量达到221亿颗,如果能够介入到CIS领域,FD-SOI生态圈将有质的改变。


开发物联网(或智能物联网AIOT)芯片,是否选择28纳米及以下的逻辑工艺是经常困扰厂商的一个问题。瑞芯微电子高级副总裁陈锋就表示,物联网芯片高度碎片化,一个应用领域对主控芯片的年需求量在5百万到1千万左右,单颗芯片价格也就2到3美元,“像智能音箱这种市场,全球总共也就几千万(一年出货量),还有几十家公司在这个市场争夺”。陈锋认为,这种出货量级别的芯片,采用最先进的7纳米工艺肯定不现实。


即便用28纳米或22纳米工艺来实现物联网主控芯片,都需要对成本严格控制,出于成本与性能的综合考虑,目前主流物联网终端主控芯片仍然采用55纳米和40纳米工艺。放大物联网芯片出货量的方法之一,是更加通用地去定义芯片功能。但芯片越通用,就意味着在具体应用中芯片上的冗余资源越多,成本越不占优势,但物联网终端大多对成本要求都很高,所以能否在成本与通用性上取得平衡,将成为高阶工艺制程物联网芯片产品定义的关键。


如前所述,新型嵌入式存储技术的引入,或将吸引主流物联网终端主控芯片厂商选择28纳米及以下FD-SOI工艺,来开发下一代产品。基于FD-SOI工艺的处理器芯片,如能从汽车电子跨入更广泛的应用市场,将能真正带动FD-SOI芯片起量。


要针对中国用户需求做生态优化


从格芯提供的数据来看,其FD-SOI工艺已流片客户,超过半数来自中国。瑞芯微电子陈锋也认为,需要丰富多样的市场环境,才能撑起FD-SOI产业,中国市场生态的多样性首屈一指,是发展FD-SOI工艺的不二之选,而且不像FinFET,FD-SOI工艺没有代差限制,中国完全可以和世界同步发展。


不过,FD-SOI在中国的生态还不够完整。在设计、晶圆材料和IP上,中国本土公司都有不错的表现,至少数十家设计公司开始了基于FD-SOI工艺的开发,新傲科技能提供SOI晶圆(当前能生产200mmRF-SOI晶圆),IP则有芯原微电子等提供。但制造资源上,目前设计公司还是只能选择国外生产基地合作,虽然半导体轻薄短小,理论上不受地理位置的限制。但从产业发展历史来看,地理位置的接近,更容易造就繁荣的生态环境,例如台湾的新竹园区与上海的张江园区。


所以,更换首席执行官之后停摆的格芯成都FD-SOI制造项目,就显得越发微妙。格芯需要权衡,究竟是借助原德国工厂的基建设施及人力资源来降低投入,还是靠近客户为今后十年的生态打下更坚实的基础。毕竟,如某行业知名人士所言,不是中国离不开FD-SOI产业,而是FD-SOI产业离不开中国。


END


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