隨著智能手機功能最近不斷升級演化，消費者的期望值日益攀升。速度更快的多核高主頻CPU處理器、令人震撼的3D圖形、全高清多媒體和高速寬帶現(xiàn)已成為高端手機的標配。同時，消費者還期望手機纖薄輕盈，電池續(xù)航能力至少與以前的手機持平。對于手機廠商和設計人員來說，消費者的期望意味著移動芯片需具備優(yōu)異的性能，同時兼具低成本和低功耗。全耗盡平面晶體管技術 （FD-SOI:Fully Depleted Silicon on Insulator），是滿足這些需求的最佳解決方案。 在2012年移動通信世界大會上（Mobile World Congress），意法。愛立信首席執(zhí)行官Didier Lamouche證實我們的下一代NovaThor平臺，即NovaThorL8540的后續(xù)產(chǎn)品，將采用28nm FD-SOI制造工藝。 FD-SOI技術目前已經(jīng)可供芯片開發(fā)使用，該技術將會使28nm工藝制程的芯片產(chǎn)品在性能和功耗方面有顯著的提升。因為工藝復雜程度相對較低，F(xiàn)D-SOI解決了制程升級、泄漏電流和可變性等問題，能夠將CMOS制程節(jié)點進一步降至28nm或28nm以下。 像FinFET技術一樣，F(xiàn)D-SOI最初是為20nm節(jié)點及以下開發(fā)設計的，能夠突破傳統(tǒng)體效應CMOS制程升級的限制因素，例如，高泄漏電流和終端設備多樣性的難題；但是，又與FinFET技術不同，F(xiàn)D-SOI保留了傳統(tǒng)體效應CMOS工藝的平面結構復雜度相對較低的優(yōu)點，這可加快工藝開發(fā)和量產(chǎn)速度，降低現(xiàn)有設計的遷移難度。意法愛立信、意法半導體、Leti 和Soitec的技術合作讓我們能夠在28nm技術節(jié)點發(fā)揮FD-SOI的優(yōu)勢：先進性能、具有競爭力的處理速度/泄漏電流比和優(yōu)化能效。 在寬電壓范圍內(nèi)性能領先 下圖比較了在慢工藝角（SS）和環(huán)境溫度最惡劣時ARM Cortex-A9 CPU內(nèi)核的一個特定關鍵通道能夠達到的最高頻率-Vdd電源電壓曲線。 每條曲線代表一個特定的28nm制程： .28HP-LVT是用于移動設備的高性能體效應CMOS工藝，瞄準高性能移動設備CPU,具有處理速度快和柵極氧化層薄的特點，因此，從可靠性看， Vdd 過驅動能力有限（~1.0V）。 .28LP-LVT 是一種低功耗的體效應CMOS 工藝，過去用于低功耗移動應用，LP 基于柵氧化層更厚的晶體管，支持更高的過驅動電壓（高達1.3V）。 .28FDSOI-LVT是意法半導體開發(fā)的28nm FD-SOI工藝，柵極結構與28LP相似，也支持1.3V過驅動電壓。 在這三種工藝中，只考慮低壓閾值（LVT），因為處在這樣的電壓下時處理性能最高。 1.首先觀察到的是，在標稱電壓（HP=0.9V,LP=1.0V,FD-SOI=1.0V）時，F(xiàn)D-SOI的峰值性能與HP工藝相似；在Vdd電壓相同時，性能比LP高35%. 2.此外，隨著Vdd 電壓升高，F(xiàn)D-SOI的性能進一步提高，而 HP 工藝無法承受更高的電壓，因此，前者的綜合峰值性能高于后者。 3.在工作電壓過低時，如Vdd=0.6V, LP將無法運行或性能很低；FD-SOI與HP工藝相當甚至高于HP工藝，但是前者的泄漏電流和動態(tài)功耗要比后者低很多，我將在后面的內(nèi)容中給予說明。 4.相比體效應CMOS工藝，F(xiàn)D-SOI的工藝可變性低，在適合CPU處理非密集型任務的頻率（200MHz-300MHz）時，能夠支持更低的工作電壓（最低0.5V），例如，硬件加速音、視頻播放。 因此，在寬Vdd電壓范圍（0.5V 至 1.3V）內(nèi)，F(xiàn)D-SOI的綜合性能高于移動處理器專用的體效應CMOS工藝，這些性能優(yōu)勢可用于提高峰值性能，或者在保證性能不變的前提下降低Vdd工作電壓，從而降低動態(tài)功耗。 我們探討了FD-SOI工藝在性能-電壓比方面的技術優(yōu)勢，接下來，我們將分析另外兩大優(yōu)勢：具有競爭力的處理速度/泄漏電流比和優(yōu)化能效。
具有競爭力的處理速度/泄漏電流比 FD-SOI工藝不僅帶來前文所述的性能優(yōu)勢，還具有同級產(chǎn)品最低的泄漏電流，下圖示是前文圖示的ARM Cortex-A9 關鍵通道在85°C時典型泄漏電流與最高頻率之比。以系統(tǒng)的方法分析，當泄漏電流相同時，F(xiàn)D-SOI在標稱電壓（1.0V）時的運行頻率高于標稱電壓（1.0V）時的LP工藝或標稱電壓（0.9V）時的HP工藝。 淺藍色曲線代表Vdd=0.9V條件下的FD-SOI 泄漏電流/速度曲線，這意味著FD-SOI可讓我們降低標稱 Vdd 電壓（對動態(tài)功耗影響巨大的參數(shù)），同時保持與LP和HP工藝相同的或更高的性能。然后，如藍色延長虛線所示，施加在LVT FD-SOI晶體管上的正向體偏壓（*） 使其能夠達到HP可達到的性能，而在施加偏壓后，多晶硅晶體管的泄漏電流增幅與LP工藝相同。 該泄漏電流/速度比優(yōu)勢是28nm FD-SOI工藝獨有優(yōu)勢，真正地融LP 和 HP兩大工藝的優(yōu)點于一身。 體偏壓是在CMOS晶體管的體效應部分施加可變電壓，以提高泄漏電流為代價換取更快運行速度（正向體偏壓），或者以犧牲性能為代價換取更低的泄漏電流（反向體偏壓）。雖然體效應CMOS具有這項功能，但是，因為埋溝氧化層將晶體管溝道與硅體效應部分（背柵效應）隔離，體偏壓的效果在FD-SOI技術上更加出色。 優(yōu)化能效 對高端移動應用來說，良好處理性能兼出色的泄漏電流還不夠，在移動設備日常使用過程中降低不同工作模式的總功耗才是最大化電池續(xù)航能力的關鍵。 下圖描述了三種不同的 28nm 工藝的動態(tài)功耗特性，并給出了動態(tài)功耗-最大頻率特性曲線。 從圖中不難看出，在給定頻率時，F(xiàn)D-SOI的總功耗總是比其它兩項技術低很多，即便達到目標頻率所需的電源電壓略高于28nm HP.這主要因為FD-SOI技術的總功耗中泄漏電流較低。在整個電源電壓范圍和對應的性能范圍內(nèi)均是如此，這充分證明，F(xiàn)D-SOI是能夠給移動設備帶來最高能效的解決方案。 從上文可以看出，28nm FD-SOI在對于移動計算設備極其重要的關鍵參數(shù)方面優(yōu)于現(xiàn)有的體效應工藝，具有高性能且低功耗的優(yōu)點。
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