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“低功耗”成物联网首要需求 FD-SOI工艺“守得云开”

发布:2017/9/13 9:20:24 |作者: 王琼芳 |来源: 华强电子网

TAG物联网  芯片  FD-SOI  

  在28纳米HKMG工艺之前,全球半导体逻辑工艺只有一条路可走,参与者只要按照这条路的演进规律向下走就好,然而28纳米HKMG工艺之后出现了两条路,一条是立体型结构的FinFET(鳍型场效应晶体管),另一条是平面型结构的FD-SOI(全耗尽绝缘体上硅)。回顾过去,半导体厂商在FinFET和FD-SOI这两种工艺方向上有过一些争议。

芯原控股有限公司创始人/董事长兼总裁戴伟民博士

  芯原控股有限公司创始人/董事长兼总裁戴伟民博士回顾称,当初,在28纳米分野之时,英特尔也考量过FD-SOI工艺,但FD-SOI在当时并不具备满足大量生产的需求:FD-SOI基板的超薄硅层上每个点的均匀度要保证在几个原子层(+/-5?)之内,这好像飞机从巴黎飞往上海途中上下波动不能超过15毫米。同时,FD-SOI晶圆制造技术被法国Soitec公司垄断。为了避免受制于人,英特尔选择了FinFET。台积电也为规避风险成了英特尔的跟随者。另一方面,FinFET工艺很适合英特尔当时高性能和高密度的产品定位。在这样的背景下,英特尔和台积电成了FinFET工艺技术的先行者。

  相比英特尔和台积电选择了FinFET,三星、ST与格芯则是FD-SOI工艺的主要拥护者,它们的主要产品是,三星28纳米FDS和18纳米FDS以及格芯22纳米FDX和12纳米FDX,ST也已拥有28纳米FD-SOI产能。三星和格芯均选择了FinFET与FD-SOI“两条腿走路”的策略。在今天看来,“两条腿”策略颇具深意。

  虽然FinFET在英特尔、台积电这两大巨头的引领下成为制程微缩的主流趋势,跟随者众多,但近几年,半导体业界对FD-SOI的呼声却越来越高,诸多半导体厂商都跃跃欲试试图参与进来。是什么因素推动了FD-SOI工艺的崛起呢?

格芯全球副总裁兼大中华区总经理白农

  格芯全球副总裁兼大中华区总经理白农表示,FD-SOI工艺可谓大器晚成,虽然目前FinFET工艺的成本逐渐降低,良率不断升高,许多半导体行业的龙头企业纷纷选择FinFET工艺作为重点,但随着物联网的发展,用户对物联网终端产品的需求日益增加,这些需求并不需要极致的性能,却对功耗和成本的要求极高,这就使得“低功耗、低成本”且“可靠性”极佳的FD-SOI工艺成为最佳选择。

  “正在兴起的物联网终端产品并不需要特别高性能的技术体现,它们更侧重性能、功耗与成本的平衡,而这恰恰是FD-SOI工艺的特长。”戴伟民博士也强调称,FD-SOI工艺的三个特点非常适用于物联网市场:一是低功耗,FD-SOI独有的体偏压(body bias)可通过用软件控制体偏压在功耗、性能和漏电功耗之间实现动态平衡;二是FD-SOI更容易集成RF工艺,FD-SOI可以为射频设计提供超优的RF特性,可以支持更高的射频频段,包括毫米波频段,射频电路匹配性能更好,这也是业界一致认为FD-SOI更适合于物联网IoT、5G SoC的重要原因;三是FD-SOI比较容易集成嵌入式闪存。中国大陆在晶圆制造方面落后太多,FD-SOI工艺是差异化取胜的途径之一。在戴伟民博士看来,在FinFET工艺方面追赶台积电或英特尔的同时,更应该发展FD-SOI并用作低功耗工艺的替代方案。

  低功耗、电池供电的物联网设备正处于爆发性增长态势,22FDX?技术完美契合了其需求。白农补充表示,除了“很多物联网应用只需很少的原始处理能力但要求大幅降低功耗”之外,入门级与中档手机应用往往也不需要最高的性能,但它们仍对电源效率高度敏感。在这些方面FD-SOI芯片大有可为。

  FD-SOI到底有怎样的功耗和性能表现呢?据三星提供的数据显示,相比体硅工艺(28纳米HKMG工艺),28纳米FD-SOI功耗相当于体硅工艺的70%,性能要高出16%。它是如何做到的?事实上,FD-SOI有一个通常被忽视的优势,就是极化BOX下方基板的能力,也就是“顺向基底偏压”。顺向基底偏压在功耗与性能折衷的优化方面非常有效率,而且藉由在运作过程中改变偏置电压,设计工程师能让他们的晶体管在不使用时达到超低功耗,但又能在速度如常时的关键时刻达到超高效能。

  白农非常认可FD-SOI工艺这一技术优势:“它可以实现定制的‘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。”他强调,FD-SOI 已被证明可扩展至下一节点,同时维持固有的多种独特功能,这些关键功能的组合使22FDX?在现今的移动、物联网和射频应用上成为一个强有力的竞争者。

  可见,物联网“低功耗与高性能的高度平衡”需求是让FD-SOI被重视的一个重要原因。事实上,半导体厂商不堪FinFET研发投入重负也是FD-SOI崛起的一大因素。来自Gartner的数据显示,开发一颗28纳米芯片的平均成本大约是3000万美元,而一颗16纳米/14纳米FinFET芯片开发成本则需要8000万美元,10纳米FinFET芯片的开发成本更是高达1.2亿美金。如果这颗芯片最终的销售量并不大,那么这家企业根本难以收回成本。这也意味着,除了高通、苹果等半导体IC巨头有实力投入巨额资金并利用高销量和高利润收回成本之外,广大中小IC设计厂商根本难以跟随更高节点的FinFET工艺。

  “在FinFET先进工艺投入不断加大的情况下,追赶者的压力也不断加大,特别是中小型的IC设计厂商已经不堪重负。”戴伟民博士表示,“现在IC设计公司的研发成本要占到其销售额的25%-30%甚至更高,这意味着公司的毛利率要达到50%以上才能生存,欧美IC设计企业的毛利率生死线是40%,如果低于这个水准会很难生存,要么关掉要么卖掉。这几年半导体并购案频发,跟厂商利润率的下滑不无关系。”

  整体而言,以FD-SOI为代表的平面硅工艺的崛起来自于两大因素,一是得益于物联网行业的快速发展,FD-SOI正好可以满足了物联网芯片“无需极致的性能,但对低功耗、低成本和高可靠性有高要求”的特点;二是FinFET工艺微缩过程中的巨额研发投入,让广大中小型规模IC设计厂商望而却步,急需低成本且性能有保证的工艺制程作为替代,而FD-SOI刚好满足它们的需求。

  除了上述促进FD-SOI崛起的这两大原因之外,FD-SOI的一个重要机会来自于对“RF射频器件+系统芯片”的集成,以及对雷达和5G毫米波技术的支持。

  格芯白农说,这个世界正在被数万亿的设备连接起来,这种趋势使得这个世界更加的集成化,因此,芯片正在发展成为微型系统。同时,这些微型系统,需要通过创新的半导体工艺集成超低功耗智能组件,包括无线连接、非易失性存储器和电源管理。

  白农强调了FD-SOI对RF射频与系统芯片的集成化优势:“在无线方面,22FDX?能让SOI设备堆叠运用于雷达和5G应用中,在高压功率集成电路中,如今,集成横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)设备(微波/射频功率放大器中使用的晶体管)不能够在FinFET制程中实现,但它却是蓝牙、Wi-Fi或NB-IoT PA/Switch集成的必备。22FDX?更适合于射频+系统芯片集成,原因很简单,它能以最低的成本提供最佳的性能。”

  “FD-SOI工艺对基带、RF射频、电源管理以及对物联网NB-IOT、eMTC等功能的集成,是我们看中它的主要原因。”戴伟民博士告诉记者,目前格芯与芯原共同宣布,将携手为下一代低功耗广域网(LPWA)推出业界首款单芯片物联网解决方案。双方计划采用格芯的22FDX?技术开发可支持完整蜂巢式调制解调器模块的单芯片专利,包括集成基带、电源管理、射频以及NB-IoT与eMTC功能的前端模块。相较于现有产品,该全新方案可望大幅改善功耗、面积及成本。

  除了RF集成的优势,兼容毫米波技术也是FD-SOI优于FinFET的地方。白农也表示,在5G背景下,14纳米FinFET技术可以高效地整合射频与数码,但只能够运用于小于6赫兹的5G收发器,并且FinFET 3D结构(栅与源/漏间的鳍形成寄生电容)使得14纳米FinFET无法兼容毫米波频段。而22纳米FD-SOI(简称22FDX?)技术的平面结构能够整合射频/毫米波、电源管理集成电路和嵌入式存储器(电子病历应用模型),且性价比高。二维结构的寄生电容很低,射频方面在Ft/Fmax及在高、低电流密度下Ft*GM/I都有很好的表现。并且,22FDX?可提供高压与大功率,具备堆叠概念下的各种性能,这样前端模块有了放大功率的功能,能将一个低噪声放大器并进简单模式。

  业内人士均晓,将尽可能多的模拟/RF功能集成到单个RF-CMOS硅平台中,这在许多市场中成为日益重要的问题。然而,RF-CMOS平台的一个限制是增加频率的能力有限,特别是在毫米波频谱(30GHz及以上)中。这对于诸如FinFET这样的3D器件来说是更大的问题,由于是3D结构,它们必须承载非常强的寄生电容。因此,SiGe-双极平台通常用于该频率范围。而FD-SOI是一种平面技术,因此不受3D器件特性的限制。325-350GHz范围内的Ft/Fmax已经有所报道,这使得全面使用高达100GHz的毫米波频谱成为可能,并在许多应用中为FD-SOI、RF-CMOS平台带来光明的未来。

  “FinFET因其立体结构的局限,其RF射频器件很难兼容毫米波技术,这是它的一个短板。台积电现在‘回头’开发22纳米平面硅工艺22ULP也是基于这个原因。”戴伟民博士说。

  可见,FD-SOI对RF射频与系统芯片的集成、支持5G毫米波技术以及在超低功耗的实现,使其拥有了获取更多半导体厂商青睐的资本。而接下来,参与者要做的是抓住中国市场的发展机遇,攻克FD-SOI面临的发展瓶颈,快速建立起强大的生态,以推动其稳定发展。(责编:振鹏)



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