FD-SOI：急需一场转折点之战！
科技
2024-11-12 17:22
广东
熟悉三国历史的人都知道，魏蜀吴三国鼎立的局面是从一场转折点之战开始，这场转折点之战就是赤壁之战，赤壁之战之后，以刘备领导的蜀汉力量正式割据西南 ，而孙权也坐稳了江东，魏蜀吴正式开启三国鼎立模式。纵观古往今来的历史长河，在新势力的发展崛起过程中，转折点之战必不可少，通过转折点之战一战成名，新势力将正式崛起！我们熟悉的RF-SOI工艺，其实从2007年IBM就开始研发了，直到2012年在射频领域打了一场转折点之战---将SOI应用在射频开关之后，RF SOI工艺一举成名，迅速把砷化镓氮化镓等化合物工艺在射频领域的应用降级，成为射频主流工艺！我们本土上市公司卓胜微也是凭借RF-SOI工艺成为射频领域主流玩家。目前，RF-SOI工艺在射频领域已经广为应用，不但在射频开关，更在射频功放、调谐器等被广为采纳。从2013年第一届上海FD-SOI论坛开始，FD-SOI推介已经砥砺前行了11年！
FD-SOI是一种在SOI衬底上制作全耗尽型CMOS器件的技术，它是唯一能将2D CMOS晶体管的平面结构与全耗尽（FD）模式下运行这两大实质特性相结合的技术。这个技术也是FinFET工艺技术发明人胡正明教授发明的，从架构上看更像是把FinFET（鳍式晶体管）翻转了90度。FD-SOI继承了SOI材料的优越性--SOI 可实现更快的半导体器件、更低的漏电流、优化的性能和更低的结电容，从而实现更低的功耗。此外，FD-SOI还具有许多其他方面的独特优点，包括具有背面偏置能力，极好的晶体管匹配特性，可使用接近阈值的低电源电压，对辐射具有超低的敏感性以及具有非常高的晶体管本征工作速度等。FD-SOI技术所有这些关键特性使其广泛用于物联网、边缘智能、自动驾驶和5G通信收发器以及汽车电子中的雷达系统等毫米波段应用。FD-SOI工艺从概念提出到成熟商用经历了近三十年，其低功耗、高性能的特性使其在IoT、5G和汽车市场中大放异彩。FD-SOI的概念最早于20世纪90年代提出。当时，研究人员探索通过在晶体管下添加一层绝缘体（埋氧层）来减少漏电流和功耗。早期的SOI工艺显示出提高晶体管性能和降低功耗的潜力，为FD-SOI的研发奠定了基础。到2000年代初期，SOI工艺逐渐应用于一些高端处理器中，但由于成本较高，市场普及较为缓慢。IBM等公司进行了初步的技术开发，但当时SOI工艺的应用仍然较为小众，主要集中在高性能服务器和游戏机等对性能要求较高的产品上。2012年，法国的半导体研究机构CEA-Leti和STMicroelectronics成功开发了28nm FD-SOI工艺，并率先进行商用化。这一技术显著降低了功耗，同时提升了性能，特别适用于移动设备和物联网等对功耗敏感的应用。2015年，STMicroelectronics和GlobalFoundries合作推出22nm FD-SOI工艺，进一步推动了FD-SOI在移动、汽车和IoT市场的应用。之后，随着22nm和12nm节点的FD-SOI工艺的推出，FD-SOI的低功耗和适应性进一步提升。2017年，GlobalFoundries推出了22FDX工艺，实现了更低的成本和更好的功耗性能平衡，目前，FD-SOI已经逐渐成为一种替代FinFET技术的解决方案，尤其适用于5G、物联网和汽车电子等领域。在近日召开的第九届上海FD-SOI论坛上，与会专家们就FD-SOI发展和产业现状进行了讨论。芯原股份创始人、董事长兼总裁戴伟民回顾了FD-SOI发展历史，并指出经过多年的推介，FD-SOI已经不是一个用不用的选项而是在产业生根结果尤其是格芯等在大力发展这个工艺，FD-SOI生态已经日益繁荣。芯原是最早支持FD-SOI工艺的，多年来芯原一直致力于推动FD-SOI生态建设，这是芯原可以提供的FD-SOI IP介绍，基本涵盖了FD-SOI SoC所需的IP。IBS首席执行官Handel Jones分析了人工智能技术的发展以及FD-SOI如此重要？他认为未来原生鸿蒙会占据中国25%手机市场，在同等节点，FD-SOI相比FinFET在功耗成本面积上都有优势，尤其在12 nm和28nm这个区间，如果辅以chiplet技术和特殊封装技术可以让12nm FD-SOI技术进入数据中心和移动领域。他指出16nm FinFET 晶圆的成本比 18nm FD SOl 晶圆高 20%，因此，18nm FD SOl 是比 16/14/12nm FinFET 更好的技术。此外，12nm FD SOl 的射频连接性比 7nm FinFET 更好。因此，在大多数应用中，12nm FD SOl 的 PPA 比 7nm FinFET 更优越。此外，FD SOl 的晶体管密度比 CMOS 高 10%。因此，FD SOl 的晶体管成本与 CMOS 22nm 相当，而 CMOS 和 FD SOl 晶圆的成本相当（但FD SOl 的掩膜步骤数比 CMOS 少）。此外，FD SOl 的功耗比 CMOS 低 15%-20%。格罗方德亚洲区主席兼中国区主席洪启财分享FD-SOI工艺技术未来演进路线，特别强调了格罗方德12 FDX平台的优势，例如面积功耗降低40 %同时性能提升22 %，并且更重要的是它RF上ft/fMax可以到500GHz!可以大幅度提升RF性能！此外，他指出如果FDX平台跟3DHI （三维异构集成）结合则可以催生无尽的可能性！3DHI通过将不同类型的半导体器件或材料进行三维堆叠和集成，形成一个紧凑的系统。3DHI 可以将逻辑、电存储器和传感器等不同功能模块集成到一个芯片中，极大地提升了性能和功能密度。芯思源通过具体参数来说明如何用F设计一款基于FD-SOI工艺的超低功耗BLE MCU！利用FD-SOI工艺，工作电流可以低至265nA！至成微CEO 成飞分享了如何用FD-SOI工艺如何实现高性能Wi-Fi 6通信芯片，至成微的Wi-Fi 7芯片也要采用FD-SOI工艺！Dolphin Design 亚洲区销售总监Ying Zhao认为FD-SOI在RF设计中最重要的优势是基于自适应Body-Biasing（ABB）的功耗调节功耗特性最为重要的，其次能够提高系统可靠性也很重要。“因为ABB是一种close loop的design，可以用最可靠的方式去实现需要达到的频率。同时低功耗带来的电池寿命延长，对于IoT应用来说也很重要。很多IoT设备从开始使用，就再也没有充电的机会了。”她强调。她还指出22nm将成为未来几年可穿戴产品的主流工艺节点，她还分享了Dolphin的IP+GF22FDX平台如何实现更出色的PPA设计案例！在FD-SOI生态系统中，EDA工具必不可少，目前除了新思等公司EDA工具支持FD-SOI设计之外，本土EDA公司芯和半导体也全力支持FD-SOI，芯和半导体科技 (上海) 股份有限公司董事长凌峰指出FD-SOI芯片EDA设计流程类似传统硅数字芯片设计，不过FD-SOI有体偏置需要做一些微调。芯和一直和GF合作加速FD-SOI设计。他还表示FD-SOI这几年也在不断前进，应用也在不断增多，所以EDA企业在22FDX上还是与客户有着非常多的合作，PDK更新也很快。目前芯和提供FD-SOI所需的射频，电感和其他关键建模工具。在FD-SOI工艺未来演进路线上，CEA-Leti（法国原子能委员会电子与信息技术实验室）已经推出了10nm和7nm试验线，不过，考虑到成本因素，在下午的圆桌论坛环节，很多人对高级工艺的兴趣 并不大。不过Soitec 边缘与人工智能部门高级业务发展经理James Zhang认为，为了持续推进FD-SOI技术，业界需要制定一个技术路线图，“我们不能永远停留在28、22nm的水平，整个行业要为12、10nm或更先进的工艺做好准备。这是市场需求决定的，也是欧洲投入大量努力研发FD-SOI技术的原因。”总上所述，FD-SOI经过多年的发展，目前已经建立了比较完备的生态体系，从EDA工具到IP 到制造产线，再到实际案例，都有可以说服产业采用的实际数据，为何FD-SOI 还是不温不火呢？
正如笔者开篇所说，FD-SOI现在欠缺的就是一场转折点之战，需要一个证明自己优秀的杀手级应用！就如同当年RF-SOI在射频开关大获成功一样。但是，这样的杀手级应用在哪里？当在会场上笔者抛出这个问题后，嘉宾们是如何回答的呢？请看视频。综合嘉宾们的发言，笔者认为带轻算力的AI ISP+图像传感器就是FD-SOI的转折点之战!在这样的方案中，可以完全发挥FD-SOI的优势！Handel Jones也指出新一代 Al 边缘设备的重要诉求是获得领先的传感器，图像传感器是数字健康、自主交通、机器人和娱乐领域的关键传感器，中国在这方面的能力不断增强，而图像传感器的最佳 ISP 技术是 FD SOl！戴伟民则看好FD-SOI在智能眼镜的应用，他认为类似视频监控一类的IoT应用不需要Allways on，在需要启动时才全力加速。有时需要高性能运算，有的时候只需待机，对于这类应用，芯片厂商在流片之前往往要预留很多冗余以备不时之需，也因此导致流片时间加长成本增加。而FD-SOI的体偏置技术可以在流片后用软件调控功耗，这是FinFET工艺做不到的。总之，FD-SOI技术在智能边缘设备、人工智能和嵌入式应用等领域展现出了强大的市场潜力，特别是在低功耗需求较高的应用场景中，FD-SOI被认为是一项重要的技术。但是，FD-SOI并非和FinFET工艺对立，二者是相互补充的。此外，由于2021年SOI国际产业联盟正式加入SEMI成为其策略合作伙伴，笔者认为要推动FD-SOI工艺在中国落地生根快速发展需要在中国成立一个FD-SOI推进委员会，吸收FD-SOI产业链各个环节人士加入，共同解决FD-SOI在落地时遇到的问题，这样才可以有效推动FD-SOI快发发展，这个委员会自然需要戴伟民等产业大佬牵头，对此建议，大家怎么看？（完）
