FD-SOI：芯片制造工藝向10nm技術(shù)節(jié)點發(fā)展的最佳選擇
[導(dǎo)讀]按照摩爾定律，芯片可容納的晶體管數(shù)量每兩年提高一倍。然而，摩爾定律不只是在同一顆芯片上將晶體管數(shù)量增加一倍的技術(shù)問題。摩爾定律暗示，隨著芯片集成密度翻倍，功耗和性能都將會實現(xiàn)大幅度改進。在過去50年里，
按照摩爾定律，芯片可容納的晶體管數(shù)量每兩年提高一倍。然而，摩爾定律不只是在同一顆芯片上將晶體管數(shù)量增加一倍的技術(shù)問題。摩爾定律暗示，隨著芯片集成密度翻倍，功耗和性能都將會實現(xiàn)大幅度改進。在過去50年里，半導(dǎo)體工業(yè)一直按照摩爾定律發(fā)展，因為芯片的三個要素——價格、功耗和性能始終是在聯(lián)動。
在可預(yù)見的未來，半導(dǎo)體工業(yè)雖然能夠繼續(xù)證明摩爾定律的正確性，但是，當發(fā)展到當今最先進的28納米技術(shù)節(jié)點以下時，卻遭遇逆風阻擋前進步伐，因為在28納米以后，技術(shù)復(fù)雜程度和制造成本都將大幅提升。綜合考慮價格、功耗和性能三個要素，全耗盡型絕緣層上硅 (FD-SOI)是芯片制造工藝向10納米技術(shù)節(jié)點發(fā)展的最佳選擇。
對于芯片制造商、終端產(chǎn)品廠商和消費電子廠商，F(xiàn)D-SOI符合摩爾定律的三個要素的要求，而且是一個經(jīng)過市場檢驗的解決方案，因為28納米 FD-SOI制造工藝現(xiàn)已投入量產(chǎn)。目前意法半導(dǎo)體正在部署14納米 的FD-SOI技術(shù)，預(yù)計2015年后投入量產(chǎn)，而10納米 FD-SOI技術(shù)還處于研發(fā)階段。
最終，成本是任何制造工藝能否帶來投資收益的決定性因素。與傳統(tǒng)的基板（bulk）CMOS制造工藝相比，F(xiàn)D-SOI是一項全新的技術(shù)，所用的晶片也稍貴，但是，更為簡單的結(jié)構(gòu)使其成為30納米以下的技術(shù)節(jié)點中成本效益最高的制造工藝。如果采用28納米技術(shù)制作一顆晶片，在相同的選件和金屬層條件下，F(xiàn)D-SOI需要38個掩模，而某些基板CMOS則需要多達50個掩模。FD-SOI縮減制造工序15%，縮短交貨期10%，這兩大優(yōu)點可大幅降低成本。此外，掩模數(shù)量和制造工序減少有助于提高產(chǎn)品良率，從而進一步降低成本。
與FinFET技術(shù)相比，F(xiàn)D-SOI的優(yōu)勢更為明顯。FD-SOI向后兼容傳統(tǒng)的成熟的基板CMOS工藝。因此，工程師開發(fā)下一代產(chǎn)品時可沿用現(xiàn)存開發(fā)工具和設(shè)計方法，而且將現(xiàn)有300mm晶片制造廠改造成FD-SOI晶片生產(chǎn)線十分容易，因為大多數(shù)設(shè)備可以重新再用。
顯然，在10納米節(jié)點以上遵從摩爾定律的制造工藝中，F(xiàn)D-SOI遭遇的技術(shù)和成本阻力最小。消費電子廠商等原始設(shè)備制造商受摩爾定律影響數(shù)十年，期待半導(dǎo)體廠商在相同價格下提高芯片性能，若價格降低則更好，除非情況極其特殊，否則設(shè)備廠商不可能接受高價格。問題的關(guān)鍵是FD-SOI能否兌現(xiàn)承諾。除價格優(yōu)勢外，采用最先進技術(shù)的FD-SOI還能改進性能和功耗，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的終端用戶的需求，例如，消費電子、基礎(chǔ)設(shè)施，甚至還有想象不到的未來應(yīng)用。
除“更簡單”外，晶體管性能強大是FD-SOI與生俱來的優(yōu)勢，擊穿正向體偏壓(FBB)和更寬的電壓調(diào)節(jié)范圍更是其獨一無二的特性。簡單地說，在芯片性能固定時，F(xiàn)BB和更寬的電壓調(diào)節(jié)范圍可降低功耗，或者當功耗固定時，F(xiàn)BB可提高芯片的性能。實際上，F(xiàn)BB在一個晶體管內(nèi)再形成一個晶體管，這種管內(nèi)管技術(shù)只有FD-SOI才能實現(xiàn)，而FinFET則無法做到。
FBB特性將會給采用FD-SOI系統(tǒng)芯片的消費電子產(chǎn)品帶來巨大的好處，在試圖充分利用頻率固定組件和高性能組件以及不同工作模式的應(yīng)用設(shè)計中，F(xiàn)D－SOI芯片的動態(tài)優(yōu)調(diào)功能可使性能和功耗達到最佳狀態(tài)。
在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，一個數(shù)據(jù)中心的用電量比一個中等城市的用電量還要大。分析師估計，全球所有數(shù)據(jù)中心的耗電量總和相當于30座核電站的發(fā)電量『1』，F(xiàn)BB準許應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心的負荷動態(tài)調(diào)節(jié)功耗/泄漏電流/工作頻率。這樣，數(shù)據(jù)中心的能耗就會與工作負荷成正比，最終FD-SOI可將數(shù)據(jù)中心的耗電量降低高達50%。
功耗雖然很重要（特別是在數(shù)據(jù)中心等耗電很大的基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域），但是在重要性排名中只能屈居性能之后，排在第二位。FD-SOI還能滿足市場的高性能要求。28納米基板 CMOS改用28納米 FD-SOI后，電路速度提升幅度高達35%。即使性能大幅度提升，F(xiàn)D-SOI晶體管的散熱率仍然較低，因為較低的泄漏電流和更寬的電壓調(diào)節(jié)范圍以及FBB提高了芯片的能效，這讓終端設(shè)備散熱更小，續(xù)航時間更長，大幅降低數(shù)據(jù)中心等耗電大的基礎(chǔ)設(shè)施的間接運營成本，例如，計算機散熱支出。
能效對新興的物聯(lián)網(wǎng)同樣具有重要意義，要想監(jiān)視和跟蹤每一個物體，物聯(lián)網(wǎng)需要在全球部署數(shù)十億顆智能傳感器，并確保這些傳感器始終連入互聯(lián)網(wǎng)?？紤]到物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模和潛力，多達數(shù)十億的傳感器必須高能效運行，即便在低壓下工作也必須確保高能效，作為能效最高的可行方案，F(xiàn)D-SOI可滿足物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)能要求。
因為采用FD-SOI的ASIC和系統(tǒng)芯片在價格、功耗和性能方面具有先天優(yōu)勢，意法半導(dǎo)體已取得15項相關(guān)設(shè)計項目。隨著代工廠和IP合作伙伴組成的生態(tài)系統(tǒng)在2014年不斷擴大，意法半導(dǎo)體將會羸得更多設(shè)計項目。
完整的摩爾定律證明方法
半導(dǎo)體工業(yè)今天能夠預(yù)見10納米節(jié)點以證明下摩爾定律的方法。要想遵從摩爾定律，需要一個能夠發(fā)揮基礎(chǔ)制造工藝的價格、功耗和性能優(yōu)勢的完整方法。因此，F(xiàn)D-SOI自然成為基板CMOS的替代者，將會繼續(xù)創(chuàng)造自我價值，同時為依賴芯片的規(guī)模龐大的全球工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造價值。
作者：Laurent Remont
意法半導(dǎo)體嵌入式處理解決方案事業(yè)部副總裁、技術(shù)產(chǎn)品戰(zhàn)略部總經(jīng)理
在可預(yù)見的未來，半導(dǎo)體工業(yè)雖然能夠繼續(xù)證明摩爾定律的正確性，但是，當發(fā)展到當今最先進的28納米技術(shù)節(jié)點以下時，卻遭遇逆風阻擋前進步伐，因為在28納米以后，技術(shù)復(fù)雜程度和制造成本都將大幅提升。綜合考慮價格、功耗和性能三個要素，全耗盡型絕緣層上硅 (FD-SOI)是芯片制造工藝向10納米技術(shù)節(jié)點發(fā)展的最佳選擇。
對于芯片制造商、終端產(chǎn)品廠商和消費電子廠商，F(xiàn)D-SOI符合摩爾定律的三個要素的要求，而且是一個經(jīng)過市場檢驗的解決方案，因為28納米 FD-SOI制造工藝現(xiàn)已投入量產(chǎn)。目前意法半導(dǎo)體正在部署14納米 的FD-SOI技術(shù)，預(yù)計2015年后投入量產(chǎn)，而10納米 FD-SOI技術(shù)還處于研發(fā)階段。
最終，成本是任何制造工藝能否帶來投資收益的決定性因素。與傳統(tǒng)的基板（bulk）CMOS制造工藝相比，F(xiàn)D-SOI是一項全新的技術(shù)，所用的晶片也稍貴，但是，更為簡單的結(jié)構(gòu)使其成為30納米以下的技術(shù)節(jié)點中成本效益最高的制造工藝。如果采用28納米技術(shù)制作一顆晶片，在相同的選件和金屬層條件下，F(xiàn)D-SOI需要38個掩模，而某些基板CMOS則需要多達50個掩模。FD-SOI縮減制造工序15%，縮短交貨期10%，這兩大優(yōu)點可大幅降低成本。此外，掩模數(shù)量和制造工序減少有助于提高產(chǎn)品良率，從而進一步降低成本。
與FinFET技術(shù)相比，F(xiàn)D-SOI的優(yōu)勢更為明顯。FD-SOI向后兼容傳統(tǒng)的成熟的基板CMOS工藝。因此，工程師開發(fā)下一代產(chǎn)品時可沿用現(xiàn)存開發(fā)工具和設(shè)計方法，而且將現(xiàn)有300mm晶片制造廠改造成FD-SOI晶片生產(chǎn)線十分容易，因為大多數(shù)設(shè)備可以重新再用。
顯然，在10納米節(jié)點以上遵從摩爾定律的制造工藝中，F(xiàn)D-SOI遭遇的技術(shù)和成本阻力最小。消費電子廠商等原始設(shè)備制造商受摩爾定律影響數(shù)十年，期待半導(dǎo)體廠商在相同價格下提高芯片性能，若價格降低則更好，除非情況極其特殊，否則設(shè)備廠商不可能接受高價格。問題的關(guān)鍵是FD-SOI能否兌現(xiàn)承諾。除價格優(yōu)勢外，采用最先進技術(shù)的FD-SOI還能改進性能和功耗，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的終端用戶的需求，例如，消費電子、基礎(chǔ)設(shè)施，甚至還有想象不到的未來應(yīng)用。
除“更簡單”外，晶體管性能強大是FD-SOI與生俱來的優(yōu)勢，擊穿正向體偏壓(FBB)和更寬的電壓調(diào)節(jié)范圍更是其獨一無二的特性。簡單地說，在芯片性能固定時，F(xiàn)BB和更寬的電壓調(diào)節(jié)范圍可降低功耗，或者當功耗固定時，F(xiàn)BB可提高芯片的性能。實際上，F(xiàn)BB在一個晶體管內(nèi)再形成一個晶體管，這種管內(nèi)管技術(shù)只有FD-SOI才能實現(xiàn)，而FinFET則無法做到。
FBB特性將會給采用FD-SOI系統(tǒng)芯片的消費電子產(chǎn)品帶來巨大的好處，在試圖充分利用頻率固定組件和高性能組件以及不同工作模式的應(yīng)用設(shè)計中，F(xiàn)D－SOI芯片的動態(tài)優(yōu)調(diào)功能可使性能和功耗達到最佳狀態(tài)。
在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，一個數(shù)據(jù)中心的用電量比一個中等城市的用電量還要大。分析師估計，全球所有數(shù)據(jù)中心的耗電量總和相當于30座核電站的發(fā)電量『1』，F(xiàn)BB準許應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心的負荷動態(tài)調(diào)節(jié)功耗/泄漏電流/工作頻率。這樣，數(shù)據(jù)中心的能耗就會與工作負荷成正比，最終FD-SOI可將數(shù)據(jù)中心的耗電量降低高達50%。
功耗雖然很重要（特別是在數(shù)據(jù)中心等耗電很大的基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域），但是在重要性排名中只能屈居性能之后，排在第二位。FD-SOI還能滿足市場的高性能要求。28納米基板 CMOS改用28納米 FD-SOI后，電路速度提升幅度高達35%。即使性能大幅度提升，F(xiàn)D-SOI晶體管的散熱率仍然較低，因為較低的泄漏電流和更寬的電壓調(diào)節(jié)范圍以及FBB提高了芯片的能效，這讓終端設(shè)備散熱更小，續(xù)航時間更長，大幅降低數(shù)據(jù)中心等耗電大的基礎(chǔ)設(shè)施的間接運營成本，例如，計算機散熱支出。
能效對新興的物聯(lián)網(wǎng)同樣具有重要意義，要想監(jiān)視和跟蹤每一個物體，物聯(lián)網(wǎng)需要在全球部署數(shù)十億顆智能傳感器，并確保這些傳感器始終連入互聯(lián)網(wǎng)?？紤]到物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模和潛力，多達數(shù)十億的傳感器必須高能效運行，即便在低壓下工作也必須確保高能效，作為能效最高的可行方案，F(xiàn)D-SOI可滿足物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)能要求。
因為采用FD-SOI的ASIC和系統(tǒng)芯片在價格、功耗和性能方面具有先天優(yōu)勢，意法半導(dǎo)體已取得15項相關(guān)設(shè)計項目。隨著代工廠和IP合作伙伴組成的生態(tài)系統(tǒng)在2014年不斷擴大，意法半導(dǎo)體將會羸得更多設(shè)計項目。
完整的摩爾定律證明方法
半導(dǎo)體工業(yè)今天能夠預(yù)見10納米節(jié)點以證明下摩爾定律的方法。要想遵從摩爾定律，需要一個能夠發(fā)揮基礎(chǔ)制造工藝的價格、功耗和性能優(yōu)勢的完整方法。因此，F(xiàn)D-SOI自然成為基板CMOS的替代者，將會繼續(xù)創(chuàng)造自我價值，同時為依賴芯片的規(guī)模龐大的全球工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造價值。
作者：Laurent Remont
意法半導(dǎo)體嵌入式處理解決方案事業(yè)部副總裁、技術(shù)產(chǎn)品戰(zhàn)略部總經(jīng)理
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