【原创】FD-SOI:万事俱备,只欠IP?

winniewei 提交于 周六, 09/29/2018
【原创】FD-SOI:万事俱备,只欠IP?

作者:张国斌

从2013年第一届FD-SOI论坛介绍这个由胡正明教授发明的工艺技术到如今,FD-SOI在业界推广已经超过6年,这个技术也从最初的理论变成现实:Sony采用这个工艺制造的GPS芯片功耗大大降低,基于这个工艺的亚马逊blink的续航长达五年,瑞芯微基于该工艺的人工智能芯片已经量产.....而本土IC设计公司也纷纷采用这个工艺投片自己设计的物联网芯片,FPGA等,在今年的FD-SOI上海论坛上,三星电子公布18FDS更多细节,而格罗方德也为汽车电子IC提供通过汽车级认证的制造服务,云天励飞、Blink等现场案例说明FD-SOI工艺ID优势。。。这无疑大大提振FD-SOI产业界的信心!有三星、格罗方德代工厂的支持,有EDA工具厂商和芯原微电子等企业的IP和设计服务企业的跟进,FD-SOI前景光明,唯一制约它未来发展的可能就是IP了,不过,这个问题也很快会被解决。

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SOI工艺主要推手--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在致辞中表示,“由于产业间的长期努力,现在FD-SOI生态系统正在稳步推进和发展着,现在的FD-SOI已经赢得了包括5G、物联网、AI、自动驾驶等领域新的增长趋势。”同时他也指出SOI技术也获得了更多中国政府的重视,包括SOI相关的设计服务公司,材料公司等都在加速发展。在构建FD-SOI生态系统上,中国联合CEA-Letiletic,在中国开设培训班,给更多工程师讲授FD-SOI相关课程。

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在业界一直不遗余力推广FD-SOI工艺的芯原微电子董事长兼总裁戴伟民博士也表示,从最初的50人参会到如今的400余人参会,产业对FD-SOI越来越认可,尤其是中国政府已经认识到FD-SOI对于本土物联网汽车电子业者巨大价值,而在本次论坛上,成都市政府派员参加也说明了这点,成都市副市长范毅在发言中指出:“就SOI未来技术发展来看,成都一定是中国甚至全球的重要发展区域。”此前在今年7月的2018青城山中国IC生态高峰论坛上,他在发言中就明确表示成都政府对格芯项目投资很有信心,成都市政府还积极参与构建FD-SOI生态系统,基于此,今年论坛上很多专家了乐观地表示,FD-SOI工艺技术在三年内就将迎来爆发,现在的FD-SOI工艺可谓是“万事俱备只欠IP”了。

01联电、GF退出FinFET高级工艺跟进凸显FD-SOI价值

近日,台联电和格罗方德相继宣布退出FinFET高级工艺研发,详见《重磅!格罗方德-”我也不跟7nm了,台积电你自己玩去吧》这两家排名全球第二第三的晶圆代工厂退出FinFET高级工艺研发,主要是因为这种高级工艺不仅晶圆厂需要投入巨资升级设备,在IC公司端需要投入巨资研发高级工艺,以目前已经量产的麒麟980为例,据华为透露,7nm工艺研发成本远超过3亿美元,所以未来能跟进高级工艺的IC设计公司一定有限,与其大家打破头花巨资抢仅有的几个客户不如发展自己的特色工艺和服务,因此联电和GF停止FinFET高级工艺研发是明智之举。

IBS的Handel Jones公布了高级工艺节点研发成本,这个估计其实还是比较保守,高级研发工艺设计研发成本远高于这个数字。

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抛弃FinFET高级工艺的格罗方德其实在FD-SOI工艺方面收获颇丰,在近日召开的GTC(Global Technology Conference)2018大会上,GF公布了该公司在工艺技术上的路线图及计划,从它公布的数据看,12nm以下的高级工艺在整个代工市场上并不占多数,12nm以上的市场今年依然有560亿美元的空间,2020年还会增长到650亿美元。

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在工艺方面,GF除了会坚持现有的14/12nm FinFET工艺,未来的重点则是FD-SOI工艺,GF目前量产的就是22nm FD-SOI工艺,简称22FDX,未来还会有12FDX工艺。

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在这次论坛上,GF德累斯顿Fab1执行副总裁兼总经理Thomas Morgenstern给汽车电子业者带来了更振奋的消息,他指出格罗方德的FDX平台目前可支持包括Arm、RISC-V等处理器IP,<6GHz的无线互联,包括蓝牙、WiFi、ZigBee等以及蜂窝通信在内的多种产品开发,而汽车电子方面,GF更有惊喜大礼包!

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Morgenstern透露格罗方德重点打造车用芯片制造能力,德累斯顿的Fab 1在2今年年1季度已经通过了车规级验证,22FDX完全满足AEC Q-100的标准。2018年3季度汽车级产品已经tape out,目前Arbe Robotics已经采用了GF 22FDX开发业界首款L4及L5级别的高分辨率实时成像雷达技术。

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Morgenstern也用数据再次用数据证明了FD-SOI工艺在低功耗和射频上的优势,例如FDX平台逻辑单元电压可降低至0.4V,Memory的待机功耗为1pA/cell,保持电压就可以降低到0.28V。在射频方面,FD-SOI擅长包括RF/LDMOS,毫米波,模拟应用(大于400GHz)的应用!而且FD-SOI独有的体偏置可以实现更好的电源效率。还有,FD-SOI中eMRAM的应用也可以实现极低功耗的嵌入式存储。

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这是他公布的一些对比数据,显示22FDX平台和12FDX性能比28体硅工艺以及FinFET工艺都有优势,例如12FDX的性能指标超过了10nm FinFET工艺直逼7nm FinFET工艺! 而且FDX的掩膜数量要比10LPP少40%!这都是节省下来的成本哦!关键FD-SOI工艺良率还很高!这是公布的几个产品的良率!都95%以上!

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Morgenstern表示通过调查数据显示两年来,对FD-SOI感兴趣的公司越来越多,尤其在射频相关应用中,客户越来越接受FD-SOI所带来的好处。

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GF公司的22FDX工艺已经获得了客户的认可,早前GF就公告称已经获得了超过20亿美元的订单,涉及IoT、工业、汽车电子、网络、加密货币、移动、数模等等多个市场。未来随着摩尔定律放慢,单芯片集成会大大增加,尤其和射频的集成,这就是FD-SOI工艺的优势了!所以GF喊出了“Thinking RF? Think GF first!"的口号!

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02三星发力!提振FD-SOI产业信心!

三星在发现FD-SOI工艺的优势后迅速进入FD-SOI代工领域(这跟我们本土某些代工厂游移不定,瞻前顾后形成鲜明对比),在获得了ST Micro的28纳米FD-SOI工艺许可后,利用它创建了三星的28纳米FDS工艺,28 FDS于2015年投入生产,目前正在大批量生产17种产品。在上届论坛上,三星没有公布未来蓝图计划,让业界怀疑它在FD-SOI工艺上处于观望, 不过,今年的论坛上,三星高级副总裁Gitae Jeong公布了三星18FDS更多细节,让业界信心大振,我看到很多业者都露出了会心的微笑。

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三星发力大家都乐了!

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Gitae Jeong表示,现在产业界正在向第四次革命迈进,在第四次产业革命中,FD-SOI可以扮演着至关重要的作用。首先对于IoT系统来说,年复合增长率将达20%以上,包括处理器、传感及连接都有对低功耗和低价格的需求。他表示未来IoT芯片将是多IP组成的单芯片,包括eMRAM、逻辑以及射频等组成存储、处理及连接等系统,以实现最低功耗和最小封装尺寸。

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基于这样的发展趋势,三星电子制定了长期的FD-SOI工艺发展计划,这是三星电子在FD-SOI工艺的规划!

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在工艺发展上,三星采取的是稳扎稳打的节奏,目前第一阶段是针对物联网应用,主打28LPP+eFlash+RF,第二阶段是28FDS+eMRAM+RF,它将是28nm最具竞争力的产品,相比较28LPP,速度提升25%。到明年初,三星18FDS将会正式问世,相比28FDS,速度进一步提升20%,同时面积减少35%。到了2020年,RF/eMRAM结合的产品将会大规模问世。

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Gitae Jeong特别强调了28FDS目前已经实现了95%的良率!在射频方面优势明显,28FDS可以覆盖毫米波28GHZ,38GHZ 到70-85GHZ范围产品,而且第一代5G毫米波蜂窝射频产品(28GHZ收发器)就是在28FDS上验证的,他举例说某客户前一代 产品采用40nm工艺,改用28FDS后,射频功耗下降了76%,处理器功耗下降了65%!

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他特别强调了三星代工厂的SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem)生态系统,这是一个多方协作的,用于友好的生态系统,通过和不同的IP、EDA、设计服务公司合作,提供基础库,目前已拥有众多经过验证的IP平台。

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Gitae Jeong公布了三星18 FDS更多技术细节,利用三星28FD-SOI的量产经验结合14nm的后道工艺联合实现,突出的特点是低功耗低成本,更小的逻辑单元以及针对IOT优化的工艺,所以未来它可为MCU/IoT产品提供集成RF和eMRAM的能力,使其具有更小尺寸、更低功耗和更低价格。

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他透露相比28FDS,18FDS可以实现50%以下功耗,65%的面积以及22%的性能提升。他表示与体硅工艺相比,FD-SOI工艺有更高的本征增益,而且有更低的闪烁噪声(1/f噪声)和晶体管失配,堪称是模拟设计方面最佳工艺。这些在实际中都已经得到了验证。

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老张认为三星18FDS的推出可能真会改写MCU未来发展历史了,目前MCU多采用130nm,65nm,55nm工艺,很多厂商对于提升MCU工艺兴趣不大,认为高级工艺让MCU面积更小,更便宜更不容易赚钱,而FD-SOI通过强大的集成能力降低了芯片成本并大大降低了功耗,估计很多MCU厂商会考虑跟进,如果MCU器件倒向FD-SOI工艺,则FD-SOI真的会迎来大爆发!本土MCU厂商中谁会是第一个采用FD-SOI工艺的呢?

03云天励飞、Blink现身说法谈FD-SOI优势

事实胜于雄辩,与以往FD-SOI论坛上只以PPT展示FD-SOI优势相比,本次论坛多家公司以已经采用FD-SOI工艺的产品说明其优势,其震撼效果难以言传!

Blink副总裁Yantao Jia就介绍了公司基于FD-SOI工艺实现的超低功耗室内摄像头如何一举成名。

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他说Blink公司从2010-2014年,一共有三个芯片流片,但是因为性能不突出销量很惨,公司几乎倒闭,据说当时账面就剩下了一美元!后来公司基于三星28 FD-SOI工艺开发室内摄像头问世,销量大幅度增加!度过了难关。是什么拯救了Blink?就是FD-SOI的低功耗和高集成能力!

用两节AA电池这个摄像头就可以使用两年!

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从2016年产品推出到现在已经实现了300万的销量!而且2017年亚马逊收购了该公司!

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基于FD-SOI工艺,Blink的产品实现了高集成,实现了更高的性价比,Yantao Jia透露未来公司将研发基于FD-SOI工艺的AI芯片,而他也乐观表示类似Blink摄像头类的产品会像亚马逊智能音箱一样流行起来,成为亚马逊第二个爆款产品!

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因行人过马路闯红灯曝光系统而出名的深圳云天励飞也来到论坛,云天励飞CEO陈宁曝光该公司基于AI算法的ASIC采用FD-SOI工艺。

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云天励飞首创的“端到云”技术已经帮助深圳建立起了动态人像识别城市级系统,实现“亿万人脸,秒级定位”。云天励飞是国内唯一一家同时拥有算法、芯片和数据三个要素的公司,为了能让前端的设备实现智能化,云天励飞生产了前端盒子和嵌入式芯片,任意普通摄像机只要加上一个“小玩意”就能摇身一变,成为智能设备,这颗嵌入式芯片就采用了FD-SOI工艺。

Attopsemi董事长Shine Chung介绍了面向FD-SOI的I-Fuse技术,可以实现超高的可靠性和超低功耗的OTP。

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据他介绍,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技术改变浮栅,但其可靠性相比较逻辑器件低10倍到100倍。Attopsemi的I-Fuse技术相比较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0缺陷。同时操作电压更低,功耗更低,所以可有效避免热损耗。他也特别强调了FD-SOI的优势。

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他说基于22nm FD-SOI工艺的I-Fuse可在0.4V下工作,只有1微瓦的能耗,可能这是全球唯一实现1微瓦工作的OTP。

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Shine Chung还指出对于10nm和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。

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04高级工艺未来分化,FD-SOI受益

长期跟踪研究半导体工艺和技术趋势的IBS CEO Handel Jones这次再度发表演讲,并对FD-SOI未来走势做出预测。

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从成本看,22nm FD-SOI的成本将和28nm HKMG成本相近,而工艺如果继续演进,例如到12nm节点,FD-SOI的成本将显著低于FinFET,12nm FD-SOI的成本比16nm FinFET低22.4%,比10nm FinFET低23.4%,比7nm FinFET低27%!这是因为12nm FD-SOI的掩膜数量要少一些,抵消了其衬底成本高过FinFET的部分。

不过他认为FD-SOI工艺只会发展到12nm,最大可能是到10nm节点,“因为再往下发展没有必要,而且会遇到很大挑战。”在他跟我私下交流时他这样解释,“但这不会影响FD-SOI的信心,因为FD-SOI客户看中的是集成度,低功耗和低成本,对于12nm以下高级工艺,有FinFET。”由此看,未来工艺技术发展会出现重大的分化,FinFET引领更高级工艺发展,而FD-SOI则发挥在低功耗、射频集成的优势。这与GF的判读一致,GF也认为12nm以上工艺市场今年依然有560亿美元空间,到2020年还会增长到650亿美元!

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Jones预估随着视频图像走热,图像传感器市场会有很大发展,而ISP将是拉动FD-SOI增长的关键点,这里的ISP是靠近图像传感器需要进行各种模数处理,图像处理的器件,因为FD-SOI比16nmFinFET和28nm体硅工艺拥有更好的ADC模拟特性、更低噪声、更低功耗以及低成本,预计2027年,ISP出货量将达196亿颗。

不过对于这个观点也有业者表示,只要FD-SOI把目前28nm体硅工艺的单抢来就是非常大的增长了,也许这样会更容易些?因为Jones预估体硅工艺只会走到22nm节点,28nm体硅工艺今年有望获得329亿美元收入,如果FD-SOI能顺利从这个节点抢单,则会坐收几百亿美元收入,个人觉得很靠谱,所以建议GF和三星就去抢28nm体硅单就好!

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05FD-SOI爆发的唯一短板是IP?

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在论坛的圆桌论坛环节,FD-SOI产业链大佬们集聚一堂共话FD-SOI未来,当然,大家对FD-SOI未来都很乐观,但是对于FD-SOI工艺真正大爆发稍有异议,

Handel Jones认为需要3年左右会有大爆发,他的观点是一年IP ,一年设计,一年制造迎来这个工艺爆发。

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不过SOI晶圆主要提供者Soitec CEO Paul Boudre则表示他认为后年1Q左右就可以迎来FD-SOI工艺大爆发,也许他有三星和GF晶圆的forecast所以比较乐观吧,在我会后对Soitec高管的采访中,他们都表示三星相比GF更激进,对晶圆有很大的需求,同时他们也表示,SOI晶圆供应充足,足以应付 即将到来的大爆发。

在私下与本土IC业者的交流中,很多人表示已经在GF或者三星流片基于FD-SOI工艺的芯片,但是在FD-SOI工艺迁移中也发现一些问题,就是可用的IP短缺,例如流行的高速串口IP等缺失。

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在论坛上的多位专家也谈到FD-SOI工艺的IP问题,怎么办呢?芯原微电子戴伟民博士表示FD-SOI生态系统还需要加快建设,尤其在IP方面,目前芯原和GF、三星联合开发了很多FD-SOI接口,如IMIPI、USB等接口IP,也包括ADC、收发器等模拟产品,还包括PLL甚至温度传感器IP等。“但这是一个过程,FD-SOI联盟都有制定计划,这两年的目标都是完成的。”他表示。

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作为FD-SOI工艺最热心的推手之一,戴博士一直希望本土IC公司能利用这个工艺实现差异化突破,他说芯原帮助客户设计的用于汽车自动驾驶的L4 ADAS SoC芯片已经流片,由于采用了FD-SOI工艺,这颗芯片功耗大大降低!

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他认为物联网时代本土IC厂商的机会很大,通过FD-SOI工艺可以获得成本性能的竞争优势,“FD-SOI可以集成RF部件,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。”他强调。目前在中国已经形成了FD-SOI完整产业链。

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在论坛上,我感觉到大家都还是希望FD-SOI领域出现一只领头羊,尤其在中国(因为中美贸易战的缘故),目前格芯成都12寸厂被大家寄予厚望,这座投资百亿美元的晶圆厂预计2019年将开始量产FD-SOI器件,因此与会者都迫切希望知道这个计划是不是可以如期进行,GF的Morgenstern在演讲中也特别谈到了GF在中国的战略,特别指出GF将于成都紧密合作促进22FDX中国顺利量产!

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可以说,随着FD-SOI逐渐被产业接受,目前全球FD-SOI都在看中国,而中国在看GF格芯厂!不过,据老张私下消息,近日就将有关于格芯成都厂的利好消息发布,大家静候佳音!

FD-SOI工艺即将起飞,这既是市场的选择,也是本土的机遇,本土IC伙伴们,你们做好准备了吗?

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