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“多年以后我們寫半導(dǎo)體發(fā)展史的話,28 納米節(jié)點一定是濃墨重彩的一筆,它背后有很多的故事?!痹?2016 FD-SOI 論壇上,復(fù)旦微電子總工程師沈磊如是說。的確,28 納米以后邏輯工藝開始分岔:立體工藝 FinFET 由于獲得英特爾與臺積電的主推成為主流,14/16 納米都已量產(chǎn),10 納米工藝也有可能在 2017 年量產(chǎn);體硅工藝停止在 28 納米,想增加集成度而又對 FinFET 開發(fā)成本望而卻步的半導(dǎo)體公司另辟蹊徑,開始考慮通過 3D 或者 2.5D 封裝來延續(xù)摩爾定律;通過幾年的發(fā)展,平面工藝 FD-SOI 生態(tài)鏈漸趨成熟,CEA-Leti 的研究結(jié)果表明 FD-SOI 工藝至少可以延續(xù)到 7 納米,這預(yù)示著 FD-SOI 不是一個孤節(jié)點工藝路線,設(shè)計公司與 IP 公司從觀望轉(zhuǎn)到介入,GlobalFoundries(格羅方德)表示目前有 50 余家設(shè)計公司在利用該公司的 22 納米 FD-SOI 工藝進(jìn)行設(shè)計。
功耗性能比一向是 FD-SOI 工藝所強調(diào)的優(yōu)勢。根據(jù)三星提供的數(shù)據(jù),相比體硅工藝(28 納米 HKMG 工藝),28 納米 FD-SOI 功耗相當(dāng)于體硅工藝的 70%,性能要高出 16%。格羅方德將在 2017 年量產(chǎn)的 22FDX(22 納米 FD-SOI 工藝)支持超低電壓運行,只需 0.4V 電壓就能夠支持邏輯運算,與 28 納米 HKMG 工藝相比,功耗降低了 70%,漏電流只有約 1pA/um。在此次論壇上引起熱議的索尼 GPS 芯片 CXD5600 即采用 28 納米 FD-SOI 工藝,由于在功耗方面的出色表現(xiàn),已經(jīng)被華米用于其新推出的 AMAZFIT 運動手表里面。
采用 22FDX 的 GPS 芯片將比現(xiàn)在的工藝更省電
格羅方德在此次論壇上發(fā)布 12 納米 FD-SOI 工藝路線圖,根據(jù)格羅方德的資料,這個被其稱為“12FDX”的工藝可用 16/14 納米 FinFET 成本實現(xiàn) 10 納米 FinFET 性能。 而相比 16/14 納米 FinFET 工藝,22FDX 平臺在設(shè)計規(guī)則和制造上具備更大的成本優(yōu)勢,例如,MOL 設(shè)計規(guī)則 22FDX 比 16/14 納米工藝減少 50%(總規(guī)則減少 10~20%);無 Fin-specific 規(guī)則;減少曝光切割(約 50%);更大器件套件(約 2 倍以上);最重要的是減少了 40%的 掩膜。
FD-SOI 工藝可發(fā)展至 7 納米
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沈磊表示,與 FinFET 工藝相比,F(xiàn)D-SOI 工藝所需掩膜版更少,費用更節(jié)省,出片也更快。設(shè)計方案從體硅工藝遷移也更簡便快捷。
IBS 首席執(zhí)行官 Handel Jones 則比較了 16/14 納米 FinFET 與 14 納米 FD SOI 的晶圓成本與單位晶體管成本,根據(jù)他的計算,14 納米 FD-SOI 工藝單位晶體管成本比相應(yīng)的 FinFET 工藝低了近 17%。
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FD-SOI 工藝成本更低
FinFET 高昂的開發(fā)成本(據(jù) Gartner 最新數(shù)據(jù),開發(fā)一款 14 納米 FinFET 芯片,費用為 8000 萬美元左右)使得越來越少的設(shè)計公司能夠跟上工藝進(jìn)步的步伐。物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品需求量大,并不要求極致的性能,但對功耗與成本要求極高,F(xiàn)D-SOI 工藝成為絕佳的選擇,用沈磊的話說就是“適合的工藝是最好的工藝。”
28 納米以后的 FinFET 工藝晶體管成本不再下降
除了低功耗與低成本,F(xiàn)D-SOI 工藝在可靠性上也表現(xiàn)出色。沈磊指出,從意法半導(dǎo)體給出的數(shù)據(jù)來看,由于 FD-SOI 工藝的敏感體積更小,對閂鎖效應(yīng)(latch-up)免疫,具備更低的 SRAM 軟錯誤率,以及更好的電磁兼容性,使其更適用于高可靠應(yīng)用領(lǐng)域,例如汽車、銀行與生命維持系統(tǒng)等。
FD-SOI 工藝可靠性更高
芯原微電子創(chuàng)始人、董事長兼總裁戴偉民也表示,F(xiàn)D-SOI 工藝的超低軟錯誤率可減少存儲消耗,非常適用于汽車電子領(lǐng)域。芯原 SiPaas(芯片設(shè)計服務(wù)平臺)中的汽車電子設(shè)計指南結(jié)合 FD-SOI 工藝,推出的汽車儀表盤片上系統(tǒng)方案可幫助設(shè)計公司通過車規(guī) ISO26262 ASIL 資質(zhì)。
越過 28 納米節(jié)點以后,一直是 FinFET 的光芒更加耀眼,但 FD-SOI 也持續(xù)努力地尋找生存空間。低功耗、低成本、高可靠,這些特質(zhì)與物聯(lián)網(wǎng)終端的需求天然匹配,但往屆只有意法半導(dǎo)體與恩智浦有產(chǎn)品量產(chǎn),所以很多公司都在觀望。本屆論壇上索尼 GPS 芯片的量產(chǎn)引起了很多設(shè)計公司的關(guān)注,筆者了解到,國內(nèi)已有一些公司在嘗試采用 FD-SOI 工藝開發(fā)芯片,尤其是應(yīng)用于超低功耗或高可靠環(huán)境下的案例頗多。
FinFET 還會領(lǐng)先,但 FD-SOI 曙光已現(xiàn),當(dāng)有更多的設(shè)計公司、IP 公司與系統(tǒng)公司真正參與到 FD-SOI 生態(tài)圈時,轉(zhuǎn)折點或已到來。就像戴偉民在演講中最后總結(jié)到:贏了多少次并不重要,重要的是你是否贏了關(guān)鍵的那幾次。