【深度分析】FD-SOI工艺渐成气候，低功耗高性能工艺有了新选择

Original 2016-10-10 张国斌 张国斌

编者注

我很幸运，参加了四届FD-SOI论坛，见证了这个工艺技术从理论走向实际到开始普及的全过程，这一工艺技术将在未来的IOT物联网应用中大放异彩！我希望而更多本土公司从中受益！

四年前，当第一届FD-SOI论坛在上海召开时，很多半导体公司对FD-SOI工艺持怀疑态度，“这个工艺行吗？”晶圆厂则和IC设计公司纠结于“鸡生蛋蛋生鸡”的因果逻辑，由于没有成功的芯片流片，很多性能对比都是理论探讨，四年后当第四届FD-SOI上海论坛召开的时候，索尼拿着最新的华米智能手表讲解其突出的续航能力（因为华为手表采用了索尼基于FD-SOI工艺的GPS芯片）。

三星LSI执行副总裁Jong-Shik Yoon则欣喜地展示已经被商业化采用的芯片，并表示明年会有十个以上基于FD-SOI 工艺的 Tape Out，FD-SOI突出的低功耗和成本优势已经被厂商接受。而且，FD-SOI联盟已经在全球打造出完整的FD-SOI产业链，覆盖EDA工具、IP、测试、代工、封装等各个环节，格罗方德在大会前一天公布了12nm 的12FDX平台，说明FD-SOI有很好的延续性，一个新的工艺技术逐渐被产业认可，未来在低功耗高性能芯片工艺方面除了FinFET可以有新的选择了。

在2016恩智浦FTF未来科技峰会上，与恩智浦半导体副总裁兼微控制器产品线总经理 Geoff Lees交流时也表示未来恩智浦的MCU 也将会采用FD-SOI工艺，他们将利用三星的代工厂进行下一代MCU的制造。在FD-SOI论坛上，三星代工厂负责人也表示很多国外IC设计公司会采用FD-SOI工艺，反观国内，真正采用FD-SOI工艺的IC设计公司并不多，难道是我们养成的”跟随“性格使然？

从本届论坛来看，大家基本达成了一个共识，就是FD-SOI和FinFET工艺是互补关系而非竞争关系，在不是一直都需要峰值高性能而需要长期低功耗的领域，FD-SOI是很好的选择，如果芯片长期或者大多时候是峰值高性能而且芯片量大到足以应付高昂的NRE费用时则可以考虑FinFET工艺。˙

从未来发展看，FinFET也会走向SOI ，而FD-SOI也会走向有Fin的立体结构，这从三星代工厂目前的服务就可以看出，这两种工艺是互补的---三星提供两种工艺代工服务。

坊间传闻，台积电虽然没有参加FD-SOI论坛，但是内部一直在研究这个工艺一旦有需要估计会推出这个代工服务。

FinFET工艺和FD-SOI工艺均由胡正明教授发明，其实这两个工艺真的是互补的，如果用汽车发动机来比喻的话，FinFET像是通过某种方法拓展了排量的自然吸气发动机而SOI有点涡轮增压。不同的实现方法试图达到同一件事：使栅极对沟道拥有更好的控制。

ST认为FinFET和FD-SOI都是耗尽型晶体管技术，只是旋转方向不同而已。（如上图所示）

选择一个工艺技术，无非是从性能、功耗、成本、EDA工具、IP层面来考虑，让我们从这几个方面看用实际数据来看看FD-SOI的表现。

1、为什么要选择FD-SOI工艺？

在分析FD-SOI之前，我们还是要回答一个最基本的问题：为什么要选择FD-SOI工艺？因为很多人会说英特尔和台积电都选择的是FinFET工艺，根据VLSIresearch的调查，选择FD-SOI工艺有几个因素：分别是体偏压、功耗、设计简单、成本、易于RF模拟集成等。

其中最大的两个因素就是体偏压和设计简单

芯原股份有限公司创始人董事长兼总裁戴伟民在发言也中也特别强调了体偏压的优势，称其可以让几乎所有应用场景受益。

这里要解释下体偏压：

体偏压技术(body-bias)是FD-SOI技术所独有的特点，也是让该技术最受关注的特点。通过把硅做得极薄，让它可以全部耗尽，所以不会再漏电流。如果再将氧化硅层做的非常薄，同时放入偏置装置(bias)，就可以调节控制这个晶体管。如果放入的是正偏压，可以实现性能快速增强;如果放入的是负偏压，我们实际上可以关掉该装置。让它实现很低的漏电流，大概是1pA/micron的水平。关于这部分内容大家可以看看《格罗方德专家深度揭秘FD-SOI工艺四大优势》一文。

恩智浦说这个体偏压可以让FD-SOI有更宽的工作范围在低压下有更好的功率性能表现。

意法半导体更展示了时间的数据来说明FD-SOI的优势。

格罗方德更强调FD-SOI可以在0.4V工作的优势，说这是几乎所有技术最小的工作电压点，有趣的是，如果电压低于0.4V以后，漏电流反而会增加了所以0.4V是个很不错的工作电压点。

NXP还给出一个FD-SOI的优势，就是软错误率SER(Soft Error Rate)大大改善，最近思科路由器发生的bug思科说就是因为空间辐射所致，实际上，空间辐射在组合逻辑电路中引起的软错误作为一种微电子设备的失效源，随着工艺尺寸缩小变得日益严重，所以精确、快速衡量组合逻辑电路的软错误率SER(Soft Error Rate)成为研究热点，减少软错误率是提升SoC可靠性的关键。

NXP说SOI工艺可以把SER改善5到10倍！ST也有类似的数据说明FD-SOI工艺在芯片可靠性方面的优势明显。

2、FD-SOI生态系统建设如何？

当我与一位本土IC设计公司高管交流时，他问道FD-SOI生态系统到底如何？能跟bulk工艺相比吗？有足够多的IP吗？看来这是一个选择的关键项，而在这次论坛上，参会的意法半导体、Leiti、Synopsys以及ARM等公司回答了他问题。

先看看意法半导体介绍的FD-SOI生态系统建设，可以看出从产品；晶圆厂到EDA工具到IP到设计服务和产品，FD-SOI有完整的产业链了。

Synopsys很早就投入了对FD-SOI的研究，Synopsys的DesignWare可穿戴平台可以提供的FD-SOI IP如下

Synopsys还和ST、三星一起携手加速FD-SOI SoC的实现

格罗方德的22FDX平台则可以提供系统级的集成，而且不用异构技术那么复杂。

格罗方德还跟Invecas公司合作，一起开发22FDX基础平台IP

Leti还表示FD-SOI简化了设计流程，实际上，FD-SOI的掩膜数量要少于bulk

格罗方德认为从bulk工艺转向FD-SOI的移植很简单，这是示意图

这是格罗方德在开发的部分IP。

三星也准备好了IP，不过三星认为28nm节点是性价比最好的节点，所以只开发了28nm FD-SOI平台。

值得一提的是，去年FD-SOI论坛上，ARM公司只是来观摩，但是今年，ARM物理IP总经理Will Abbey亲临现场发表演讲，从演讲中可以看出，ARM已经进行了大量FD-SOI工艺的研究，通过对比，ARM认为FD-SOI工艺有非常突出的优势，和ARM的POP IP结合可以发挥更大的作用。

有了ARM的支持，还用担心FD-SOI不火吗？

3、FD-SOI在模拟射频集成上的优势

ST和其他厂家都强调了FD-SOI在模拟和射频上大的优势。ST认为FD-SOI更有助于实现更模拟器件更高带宽、更低功耗和更小面积。

有些厂商还说FD-SOI可以让模拟器件有更好的噪声隔离效果。

实际测试，FD-SOI射频模拟器件功耗大幅度降低

ST还用时间测试参数证明了FD-SOI在模拟设计上的优势

FD-SOI在RF设计上大有潜力，目前RF-SOI在射频开关领域占据绝对市场份额，未来SOI工艺也可以应用在滤波器、LNA甚至PA上。这是格罗方德展示的RF-SOI在PA上的特性。

ST则展示了SOI工艺在滤波器和PA上的优势

索尼公司物联网事业部总经理Nobuyasu Matsuoka在发言中则着重强调了FD-SOI工艺给它们的GPS芯片带来的优势。

正是有这样的突出低功耗特性，才实现了华米手表优良的续航能力。而复旦微电子公共沈磊则分析了FD-SOI给PLL器件带来的优势。

他认为利用FD-SOI优良的集成和隔离特性可以实现更小尺寸的SoC器件。

FD-SOI这些优良的特性使其特别适用于IOT和可穿戴以及汽车电子应用

研究表明，FD-SOI工艺也可以让存储器件性能提升！

4、FD-SOI产能与未来发展蓝图

很多人关系FD-SOI产能，对此，SOI产业联盟执行董事Calos Mazure在接受采访时表示全球绝缘硅(SOI)晶圆提供商Soite有充足的产能提供，另外，中国本土的硅材料生产厂家——上海新傲科技股份有限公司（Simgui Technology）总经理王庆宇博士表示新傲将投巨资进行产能扩张，并致力于推进国内RF-SOI产业链的完善和发展，以满足5G和物联网的未来需求。

新傲科技成立于2001年致力于硅基SOI晶圆的研发，经过15年的默默耕耘，终于守得云开见月明，在SOI产业爆发时获得快速增长。

王庆宇博士表示今年以来，SOI晶圆需求明显提升，新傲完全有能力应对产能提升，2014年5月23日，新傲与Soitec达成战略合作协议，新傲独家代理销售Soitec的200mm 绝缘硅(SOI)晶圆。公司可以提供不同系列的晶圆，适用于智能手机的射频集成电路和汽车行业的功率集成电路。2015年9月，新傲与Soitec合作，成功制备出第一批基于注氢层转移技术的8英寸SOI晶圆。

IBS CEO Handel Jones也再次莅临论坛发言，在发言中，和四年前一样，他强调FD-SOI工艺的优势，他认为28nm HKMG是个好工艺，但是22nm FD SOI比这个工艺更好，有更低的功耗更高的性能以及很好的模拟和RF特性。 16/14nm FinFET的工艺确实待机功耗很低，但是有较高的开关功耗，另外就是成本很高，而16/14nm FD SOI 的成本要比16/14nm FinFETs低29.2%，同时设计成本也很低。

他认为很多IC产品可以用FD-SOI工艺来实现，例如

1、8到10核的64位应用处理器；

2、调制解调器和收发器

3、图像信号处理器，应用在手机、汽车工业和其他领域；

4、需要低功耗和高性能的应用

5、SSD控制器

6、Wi-Fi, 蓝牙、NFC等，可以用低噪声以及良好的线性；

7、高带宽SERDES:；

8、ADAS 处理器

9、 IoT芯片

所以，FD-SOI有广泛的应用潜力，但是他提醒关键是要建立强大的IP生态系统和供应链。

不过Handel Jones也表示中国必须要在工艺技术节点上做出选择，我注意到虽然FD-SOI论坛已经在中国召开了四届，但是至今没有一家IC设计公司或者晶圆制造厂宣布采用这个工艺。在三星和格罗方德热火朝天代工FD-SOI芯片的时候，我们看到本土没有一家公司在使用这个工艺。所以在去年的论坛上，魏少军教授怒了，参看我的文章《魏少军怒了！“我们浪费了两年的时间！”》。

现在，万亿级的物联网市场已经初露端倪，本土IC要分一杯羹，是时候要考虑用新的工艺技术实现弯道超车了。

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