超低功耗DDC工藝技術(shù)幫助中國(guó)IC設(shè)計(jì)業(yè)撬動(dòng)IoT巨大商機(jī)

 近兩年來(lái)中國(guó)IC產(chǎn)業(yè)勢(shì)力和相關(guān)資本的幾個(gè)大手筆收購(gòu)事件以及IC Insight 最新榜單中兩家中國(guó)大陸IC設(shè)計(jì)公司闖入全球10強(qiáng)，讓今年的ICCAD(中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)2015年會(huì)暨中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇)顯得格外熱鬧和引人注目。會(huì)上，中國(guó)IC設(shè)計(jì)分會(huì)理事長(zhǎng)魏少軍公布，2015年中國(guó)IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)持續(xù)擴(kuò)大，銷售額將達(dá)到人民幣1234.16億元，將成長(zhǎng)25.62%，占全球IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)32.39%。據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)IC設(shè)計(jì)公司目前統(tǒng)計(jì)有736家，較去年的681家擴(kuò)大了55家。

中國(guó)IC設(shè)計(jì)公司成長(zhǎng)快速的背后離不開一眾IC設(shè)計(jì)服務(wù)和代工廠的推動(dòng)，本屆ICCAD可以說(shuō)聚齊了中外IC設(shè)計(jì)服務(wù)和代工業(yè)的大半壁江山，重組一年多的富士通旗下半導(dǎo)體制造、測(cè)試服務(wù)公司——三重富士通半導(dǎo)體(MIE Fujitsu Semiconductor)，以及整合了富士通和松下電器在圖像、網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用領(lǐng)域LSI豐富經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)的索喜科技(Socionext)就攜手亮相本屆ICCAD，向新老合作伙伴展示特色超低功耗工藝和嵌入式系統(tǒng)代工技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及從Turn-key的Customer SoC設(shè)計(jì)到具有成本效益的COT訂制的一站式服務(wù)。

在萬(wàn)物互聯(lián)風(fēng)起云涌的今天，中國(guó)IC設(shè)計(jì)公司也涌現(xiàn)出越來(lái)越多的玩家，進(jìn)入傳感器、低功耗MCU、無(wú)線連接等芯片方案領(lǐng)域，以追逐移動(dòng)終端應(yīng)用處理器之外更加廣闊的市場(chǎng)空間，把握智能化和IoT大潮帶來(lái)的更大商機(jī)。因此，在IC工藝/制程方面也從一味追逐邁向摩爾定律的更深亞微米工藝節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)向更多討論現(xiàn)有技術(shù)節(jié)點(diǎn)功耗降低等方面的改進(jìn)上。

作為業(yè)界首家且唯一一家引進(jìn)超低電壓和超低漏電晶體管技術(shù)并可從事大量生產(chǎn)的代工企業(yè)，三重富士通半導(dǎo)體這次重點(diǎn)展示了自己開發(fā)的一系列已量產(chǎn)低功耗工藝技術(shù)和一項(xiàng)叫做“Deeply Depleted Channel(DDC)”的新工藝技術(shù)，值得廣大IoT和嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域IC設(shè)計(jì)公司的關(guān)注，這類工藝技術(shù)甚至可以稱得上是幫助IC設(shè)計(jì)公司撬動(dòng)IoT億萬(wàn)商機(jī)的“支點(diǎn)”。

業(yè)界唯一以DDC技術(shù)達(dá)到超低電壓和超低漏電晶體管技術(shù)的代工廠

三重富士通半導(dǎo)體(以下簡(jiǎn)稱MIFS)于2014 年12 月接管富士通半導(dǎo)體在三重工廠的300mm 生產(chǎn)線和配套設(shè)施，由此一個(gè)代工專業(yè)企業(yè)便應(yīng)運(yùn)而生。該公司將公司總部及市場(chǎng)營(yíng)銷的據(jù)點(diǎn)設(shè)在日本橫濱以拓展全球性業(yè)務(wù)。

MIFS技術(shù)開發(fā)部部長(zhǎng)倉(cāng)田創(chuàng)在ICCAD主題演講中表示：“順應(yīng)智能化及IoT為代表的新興市場(chǎng)的增長(zhǎng)、擴(kuò)大趨勢(shì)，MIFS憑借超低功耗制程和內(nèi)存嵌入系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)強(qiáng)項(xiàng)并以配備經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師、不斷改良生產(chǎn)、混合隔震建筑等高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力為基礎(chǔ)，致力于發(fā)展為以降低功耗并控制成本為特色的代工企業(yè)，從而服務(wù)于物聯(lián)社會(huì)的技術(shù)革新。”

圖：三重富士通半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)部部長(zhǎng)倉(cāng)田創(chuàng)在ICCAD發(fā)表主題演講。

降低功耗并控制成本是IoT市場(chǎng)的關(guān)鍵，已成為半導(dǎo)體行業(yè)的最大課題之一，MIFS通過(guò)改善成本效率最為出色的平面CMOS工藝技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。MIFS覆蓋了從40-90nm節(jié)點(diǎn)的低功耗CMOS技術(shù)，提供eNVM、RF和HV多種選項(xiàng)，可支持汽車應(yīng)用等高品質(zhì)要求的，超級(jí)低功耗應(yīng)用的DDC工藝新技術(shù)是由美國(guó)SuVolta, Inc.開發(fā),而三重富士通半導(dǎo)體將制程工藝技術(shù)開發(fā)完成,并開始逐步量產(chǎn)，DDC具有在超低電壓下可保持運(yùn)作的晶體管與超低漏電晶體管技術(shù)。

獨(dú)創(chuàng)超低功耗工藝技術(shù)——DDC解讀

為了減少CMOS電力的功耗就有必要降低電源電壓，而長(zhǎng)期以來(lái)的一般做法都是采用通過(guò)晶體管微型化來(lái)實(shí)現(xiàn)降低電源電壓。 但在90nm時(shí)代以后，由于晶體管的雜質(zhì)不均引起閾值的電壓不均，從而造成即使微型化也難以降低電源電壓。

為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)穿戴設(shè)備等IoT應(yīng)用不可或缺的低功耗應(yīng)用，MIFS開發(fā)出DDC工藝技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以制造極低漏電型晶體管, 使其得以在極低Vdd下操作以實(shí)現(xiàn)最大的電源效率。將DDC與混合信號(hào)/RF及嵌入式NVM一起運(yùn)用于40nm/55nm CMOS，不管對(duì)高度集成模擬還是對(duì)IoT/可穿戴式平臺(tái)的RF SoC來(lái)說(shuō)都可以實(shí)現(xiàn)低成本、高效用。

倉(cāng)田創(chuàng)部長(zhǎng)舉例說(shuō)道：“在相同的運(yùn)行速度下，55nm DDC較傳統(tǒng)55nm CMOS工藝降低了46%的總體功耗，較傳統(tǒng)40nm工藝降低了18%。此外，超低漏電晶體管也將泄漏電流從皮安培(pA)降低到毫微微安培(fA)。”

圖：DDC構(gòu)造。

DDC是Si基底的耗盡型溝道器件，通過(guò)簡(jiǎn)單的bulk planar工藝(平面加工工藝)制成。晶體管的通道部分由于形成多重不同濃度的雜質(zhì)層，減少雜質(zhì)波動(dòng)這一造成閾值電壓(Vth)不均的重要因素的影響，從而達(dá)到降低電源電壓的目的。因采用傳統(tǒng)的平面CMOS結(jié)構(gòu)，不僅可以使用于現(xiàn)有的生產(chǎn)線裝置，同時(shí)在電路設(shè)計(jì)方面也可以靈活運(yùn)用現(xiàn)有的裝置是其一大優(yōu)勢(shì)。

倉(cāng)田創(chuàng)部長(zhǎng)將DDC的主要優(yōu)點(diǎn)歸納為以下三點(diǎn)：

1)電源消耗極低：采用DDC以及降低操作電壓可以實(shí)現(xiàn)電源總消耗的大幅度減少。

2)降低SRAM的Vddmin：如果降低Vdd的同時(shí)增加Vt的話，SRAM的電池操作一般會(huì)變得不穩(wěn)定。DDC可以實(shí)現(xiàn)在Vdd極低的條件下運(yùn)作SRAM。即便是在Vdd=0.3V的情況下，基于DDC的SRAM蝴蝶曲線依然展現(xiàn)出明顯的兩扇窗口的模樣。

3)強(qiáng)大基體因子(Body Factor)效應(yīng)：DDC晶體管的body bias(Vbb)系數(shù)要強(qiáng)于傳統(tǒng)的晶體管。因此，DDC可以實(shí)現(xiàn)Vt的靈活控制。

下圖是三重富士通的DDC工藝發(fā)展路線圖，2015年11月底該公司已開始提供PDK的“C55DDC”還可為客戶量身打造提供低功耗方案，包括提供靈活的工藝優(yōu)化、參數(shù)調(diào)整等服務(wù)。并且，如果客戶的產(chǎn)品已經(jīng)在別的foundry運(yùn)行過(guò)，也可以到三重富士通的工廠生產(chǎn)，其技術(shù)人員會(huì)幫助調(diào)整參數(shù)，減少客戶開發(fā)難度。

申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)Shuttle service，降低流片成本

"Shuttle service"是指用降低芯片成本來(lái)驗(yàn)證客戶設(shè)計(jì)的手段， 采用多項(xiàng)設(shè)計(jì)共享晶圓、掩模以控制成本。以下是三重富士通半導(dǎo)體的2016年 “Shuttle service”排期表，包括最新的55ns DDC(C55DDC)工藝技術(shù)和服務(wù)體驗(yàn)也將于2016的3月、6月開放，感興趣者可提前在其官網(wǎng)申請(qǐng)。