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FD-SOI:兼具成本性能优势,为何还不见起色?

时间:2018-10-09 作者:Franklin Zhao 阅读:
摩尔定律放缓后,FinFET和FD-SOI这两种新技术成功对其实现了延续。前者适合用在高性能、高集成度领域;后者虽然起步较晚,但在IoT、5G、AI和ADAS/自动驾驶等爆发的当下,在成本和性能方面显现出优势,有望为中小企业带来契机。然而,FD-SOI技术问世至今已有十多年了,为何迟迟“不见起色”?

摩尔定律放缓后,FinFET和FD-SOI这两种新技术成功对其实现了延续。前者适合用在高性能、高集成度领域;后者虽然起步较晚,但在IoT、5G、AI和ADAS/自动驾驶等爆发的当下,在成本和性能方面显现出优势,有望为中小企业带来契机。

然而,FD-SOI技术问世至今已有十多年了,为何迟迟“不见起色”?日前,在第六届FD-SOI论坛上,SOI产业联盟集结整个FD-SOI生态链上下游的领导厂商,探讨了FD-SOI技术的最新进展以及尚存的短板,EDN小编也从中了解到了个中原因。

会议开始,中国科学院院士、中国科学院上海微系统与信息技术研究所所长王曦致辞道,在5G和IoT的推动下,FD-SOI迎来新的发展趋势。

中国半导体增长率达20%,今年年底会达到4.68亿的体量。跟其他细分领域一样,中央政府在半导体领域的关注也产生了活跃的SOI增长,对设计服务是非常好的发展环境。很多公司都在加速它们的发展。

中国是人工智能的领导者,这为SOI的发展也带来大好契机。SOI联盟是FD-SOI和RF-SOI的推手,我们在同样的命运之船上。

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成都市人民政府副市长范毅则表示,SOI技术在物联网、5G、汽车电子、人工智能等方面有广泛应用,在产业的共同努力下前景光明。成都市成为SOI的见证者和参与者。感谢业界对成都市的发展的帮助,包括芯原、格芯等,都对成都有很大帮助。成都欢迎更多的SOI企业到成都发展。

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三星:28FDS已达95%良率,18FDS已在掌握中

人工智能是实现自动驾驶汽车的一个关键。未来在IoT、自动驾驶、AI等领域,FD-SOI充满大好机遇。

从蒸汽机、流水线、计算机到网络通信,人类经历了四次工业革命。第四次工业革命当中的IoT,需要使用更高效的解决方案——智能手表等主流IoT技术要求做到极低的功耗以及成本。

IoT设备通常采用单芯片解决方案,将包括数据处理、内存、连接等在内的各种IP集成到其中,而采用FD-SOI技术,将逻辑、eMRAM和RF集成,可以提供很好的支持,三星电子高级副总裁Gitae Jeong谈道。

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从发展线路图来看,三星Foundry技术现已从28LPP+eFlash+RF、28FDS+eFlash+RF拓展到18FDS。18FDS相比28FDS,速度提升20%,面积减少35%。预计到2020年,将推出+RF/eMRAM的技术。

Gitae Jeong强调了三星的SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem)生态系统。目前三星可直接支持28FDS的基础库,而通过与IP、EDA、设计服务厂商等合作,三星的生态系统变得更加安全强大,拥有众多经市场验证的第三方IP供应商,ARM现可提供18FDS基础库。

28FDS目前已达到95%的良率。现有5款产品量产,有16款产品在2018年流片。eMRAM现已ready。

对于毫米波产品而言,FD-SOI具有很好的高频特性,可降低功耗和衬底损耗,可覆盖28GHz、38GHz、70~85GHz等多个频段产品,精确建模已达到110GHz。目前首款5G毫米波蜂窝RF产品(28GHz RF收发器)已在28FDS上验证。

而基于铜后道工艺的嵌入式MRAM仅需要增加3个掩膜层,相比eFlash具有更好的读写速度(写速度仅为1/1000,读写均为25ns)和耐久性。在-40~105℃内稳定良率达到95%,目前已确认封装级可靠性容量已达8Mb。

28FDS客户成功案例

在某客户的SoC中,其在使用28FDS后,相比其前一代40nm产品,射频功耗下降了76%,处理器功耗下降了65%。

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三方联合开发案例

在过去两年,NXP、Cadence和三星Foundry厂合作tape-out了多款芯片。其中,NXP提供i.MX产品线(定义),Cadence提供EDA数字和定制工具、DIP和Tensilica HiFi 4 DSP,三星提供28FDSOI工艺。“因为衬底的问题,以及晶圆的高一致性要求,SOI生产非常困难。多亏技术进步,而使我们可以迅速量产。”

此外,对于模拟设计,在关键参数方面,FD-SOI相比体硅工艺能够实现更高的增益、更小的1/f噪声和晶体管失配。比如音频codec设计,28FDS可提供各种设计选择,单芯片解决方案即可集成音频codec和连接在内的各种功能。

18FDSOI已掌握在三星手中,开发策略是将成熟的28FDSOI与相同的14nm后道工艺结合,进而与RF和eMRAM结合而应用到未来的MCU/IoT应用。

总结:

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格罗方德:退出FinFET转攻FDSOI解读

日前,格罗方德(GlobalFoundries)宣布将无限期暂停7nm LP工艺的开发,以便将资源转移到更加专业的14nm和12nm FinFET节点和的持续开发,未来的重点则是在22DFX和12FDX工艺上。在这次的FD-SOI论坛上,格罗方德德累斯顿SVP兼总经理Thomas Morgenstern博士对后者也给出了详细解读。

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他指出,FDX是面向IoT和AI/机器学习(ML)的理想平台,对于IoT来说可支持ARM、RISC-V处理器而用于实现NB-IoT和AI-ML功能;可支持<6GHz的无线连接(BLE/15.4、WiFi、Zigbee)、蜂窝通信(3G、4G LTE、5G);在汽车电子方面,则包括ADAS/视觉、信息娱乐、车身电子MCU和雷达等。

FDX拥有低动态功耗和低漏电的优势,例如逻辑功耗较40nm低80%,工作电压低至0.4V;内存待机功耗为1pA/cell,保持电压低至0.28V;适用于高性能RF/LDMOS、毫米波、模拟应用(>400GHz);体偏置技术可实现更好的电源管理;eMRAM可实现非易失性存储。

他表示,在模拟/RF方面,FDX较之FinFET在性能和掩膜数量方面均具有优势,例如12FDX性能接近于7nm FinFET工艺,掩膜数量较10LPP少40%。

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在5G/毫米波方面,22FDX可节省至少50%功耗(毫米波),并实现最高的Ft/Fmax,对于5G和77GHz雷达则可实现最低功耗。12FDX则可用于边缘节点AI、AR/VR、5G和ADAS等领域。

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22FDX于今年第一季度已获得汽车级认证,目前(第三季度)正在进行原型设计和汽车生产流片。在汽车电子领域,FDX可覆盖自动巡航控制、紧急制动、行人检测、避免碰撞、停车辅助、ADAS处理器、摄像头、短距雷达等多种应用。

Morgenstern博士给出了客户选用FD-SOI的主要原因。他指出,GF的技术发展策略响应市场需求。FD-SOI目前的IP提供也变得更加丰富和成熟,与FinFET技术形成互补。

总结:

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IBS:FinFET和FDSOI,两条腿走路

市场研究机构IBS(International Business Stragegies)CEO Handel Jones带来的议题是“FinFET与FD-SOI的市场与成本分析”。

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指出,AI将成为半导体产业未来10年增长的关键推动力。AI将改变许多产业,例如自动驾驶和运输、3摄像头智能手机的图像增强、智能手机的AR应用(包括飞行时间支持)、数据中心搜索引擎、面向游戏的VR平台。虽然智能手机销量在2018年有所下降,但其中的半导体器件数量却在增加。

集成电路包括三种主要技术:FinFET、金属栅(HKMG)体硅CMOS和FD-SOI。FinFET主要面向数字技术,HKMG体硅CMOS的极限在22nm,而FD-SOI的极限可能到12nm甚至10nm。

包含105亿个晶体管的芯片(7nm Plus、100mm2)的总设计成本可能要5亿美元。对于数字设计来说,FinFET仍会有持续的强劲需求。从台积电数据上看,7nm工艺将占今年第4季度的收入的25%,即280亿美元。

FD SOI的成本优势非常明显。22nm FD SOI的栅极成本与28nm HKMG体硅CMOS相当。12nm FD SOI的栅极成本会比FinFET低:比16nm FinFET低22.4%,比10nm FinFET低23.4%,比7nm FinFET低27%。其主要原因是其掩膜次数较少,可以补偿高衬底成本支出。目前FD SOI的重点在28/22nm,但roadmap去到18nm和12nm。

综上,FinFET将会持续增长,台积电和三星是≤10nm的两个市场玩家,而英特尔未来有望加入进去。

FD SOI发挥长处的一个应用案例是ISP。每个图像传感器都需要ISP。与22nm HKMG体硅CMOS和16nm FinFET相比,FD SOI可以提供更好的模拟功能(ADC)、低噪声、低功耗;由于掩膜次数较少,也可以提供与22nm体硅CMOS相当的单位面积成本。对于ISP来说,FinFET每单位面积成本到≤16nm后太高,不可取。

对于中国来说,中国现在已从跟随者的角色转变成领导者,在5G、电动汽车、自动驾驶、OLED等领域发展强劲。中国也在创建SMIC、华力、华虹、CSMC等晶圆厂对FinFET和体硅CMOS提供支持。对FD SOI来说,中国构建大型晶圆厂也很重要,短期内则主要由格罗方德和三星提供。

总结:

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使用FD-SOI的成功案例

Blink/Amazon:摄像头采用FDSOI后,企业经营实现大逆转?!

Blink公司副总裁Yantao Jia介绍说,Blink于2009年4月成立(Immedia Semiconductor),2010年融资2100万,三款芯片流片,但因性能不突出,销量很惨。到2014年夏天时,账面资金仅剩1美元,几乎破产。

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后来,该公司基于28FD-SOI的室内摄像头和室外摄像头相继问世,销量实现了大幅增长。Blink缘何实现逆转?原因在FD-SOI的低功耗和高集成能力。使用FD-SOI工艺后,Blink新的摄像头用两节AA(5号)锂电池即可使用两年。同时,性能不打折扣,Blink支持高清视频(Blink XT支持1080p HD),系统售价仅为99美元。

从2016年,Blink摄像头销量达到300万个,实现了4倍的年复合增长率。2017年亚马逊收购了该公司(Blink有80%产品通过亚马逊线上直接销售)。在客户满意度方面,有85%的客人最开始会购买2个以上的摄像头产品,回头客达到25%。

Yantao Jia透露该公司正在研发基于FD-SOI的AI芯片。Blink摄像头有望成为亚马逊继智能音箱后的第二款爆品!

云天励飞:借助FD-SOI,为每一颗摄像头都加装一颗AI芯

云天励飞搭建了一套虚拟级的“天眼”,实现了全球的视频监控,秒级的人脸定位。云天“深目”这套全球最大的动态人像识别系统,协助深圳公安破获了6000多起各类案例,包括解救被拐儿童、一网打尽自行车盗窃,以及行人闯红灯抓拍取证系统。

云天励飞CEO陈宁介绍说,这套系统的背后是一系列基于深度学习的芯片。云天励飞的路线是去搭建一个城市级的视觉大脑工程,这套端到云的架构通过在前端(即摄像头内)放置一系列的边缘计算视觉芯片,将海量信息进行结构化,再将这些结构化的信息送到云端进行大数据的分析,所以才能够做到在70亿张人脸当中快速查询和定位。云天励飞在8月16日和格罗方德合作流片的最新的终端视觉芯片就是采用22nm FD-SOI工艺。

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Attopsemi:面向FD-SOI的I-Fuse,实现超高可靠性与超低功耗OTP

另外,Attopsemi Technology公司的董事长Shine Chung还介绍了面向FD-SOI的I-Fuse技术,可实现超高可靠性与超低功耗的OTP(一次性可编程存储器)。

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目前OTP均采用NVM(非易失存储器),利用包括Break fuse、Rupture oxide或者trap charges技术改变浮置栅,但其可靠性相比较逻辑器件低10到100倍。

目前,主要应用都是基于熔丝的OTP方案,其中eFuse技术最为常见。Attopsemi的I-Fuse技术相比eFuse具有更可靠的物理特性,不需要更多工程学知识即可保证熔丝有效可靠,真正实现了零缺陷。同时操作电压更低、功耗更低,所以可有效避免热损耗。

同时,采用FD-SOI可实现RF集成,获得低功耗、高线性度、低寄生电容、FBB/RBB等优势,以及小尺寸。基于22nm FD-SOI的64x1 I-Fuse OTP可在0.4V下工作,电流仅有1μA。目前只有这种OTP才能实现这样低的功耗。

另外,对于10/7nm以下工艺,MOS电压不能无限缩小,因此不能使用反熔丝技术,而FD-SOI技术具有更低击穿电压,因此可以继续使用反熔丝技术。

芯原:弥补IP不足的短板

Blink基于三星28nm FDSOI工艺的电池供电型安防摄像头SoC的背后,另一大功臣是芯原。这款用2节5号电池即可工作3年的产品,芯原为其提供了交钥匙的服务,包括MIPI D-PHY/USB PHY/CODEC,以及实现小型化的SiP封装设计。基于28nm FDSOI的这款产品相较体硅28nm降低了55%的功耗。

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芯原控股有限公司创始人、董事长兼总裁戴伟民博士介绍说,芯原推出了硅平台即服务(SiPaaS)的理念,针对三星FDS28工艺推出了Dual Role USB2.0 PHY、MIPI DPHY、USB3.0 PHY、混合信号IP,并针对GF 22FDX(FD-SOI)提供了单芯片NB-IoT RF+BB等解决方案。

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他指出,HKMG体硅工艺在28nm以后,每栅极成本大幅增加,为摩尔定律带来压力,而FDSOI形成很好地补充。

若将BOX(埋氧层)调整到TOX(热氧层),FinFET和FD-SOI只是旋转90°的关系。他认为在物联网时代,本土IC厂商机会很大,通过FD-SOI工艺可以获得成本和性能的竞争优势。FD-SOI可以集成RF器件,又有低功耗优势。利用这个工艺可以实现完整的物联网方案。大家不一定都要去采用FinFET工艺,可以两条腿走路。

会后,戴博士和EDN等几个媒体私下交流的时候也表示,从三星和格罗方德的动作来看,FD-SOI工艺的发展非常好,不存在技术问题(已从22nm快速切换到18nm),关键还是IP短缺问题。从某种意义上讲,12nm(FD-SOI)就可以做和10和7nm(体硅)差不多的事情,成本又是40nm的成本,而且又是平面工艺。这么好的东西没有理由不做。

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