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28nm及以后:FD-SOI、平面、FinFET之战

2014-10-16 Yorbe Zhang 阅读:
先进半导体制造产线的巨额投资,使FD-SOI、平面、FinFET制程之战引人瞩目。FD-SOI被认为是其中的黑马,尽管实际上目前备受关注的是其在平面制程范畴中的表现,但FD-SOI也具备升级至3D架构的能力 ……

FD-SOI制程在中国能否获得支持和采用正处在关键期。

先进半导体制造产线的巨额投资,使FD-SOI、平面、FinFET制程之战引人瞩目。FD-SOI被认为是其中的黑马,尽管实际上目前备受关注的是其在平面制程范畴中的表现,但FD-SOI也具备升级至3D架构的能力。

事出有因:

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1. 在中国,数月前由政府推出的《国家集成电路产业发展推进纲要》中的重要一环是启动由政府推动、社会力量参与的发展基金。该基金已于9月24日正式成立,明确重点推动半导体制造业,指导思想是集中力量办大事,摆脱阻碍整个中国半导体深入发展的制造瓶颈。

2. Samsung Electronics在近期宣布将从STMicroelectronics获得FD-SOI制程的授权,使FD-SOI技术的话语权再度放大,半导体业界对该制程的关注度上升。业界普遍预测Samsung的FD-SOI产能将于2015年1季度的前期释放。

3. UMC计划在厦门投资12寸晶圆厂的消息在业界搅起波澜。尽管争议不断,但全球晶圆大厂窥视中国半导体制造大饼的意图已明诏。

4. 中国本土代工大厂SMIC开始进入平面28nm制程量产阶段,而FD-SOI的最大优势之一在于可延续28nm的生命期。

5. FinFET产能目前有限,而且已释放产能的产线正处于良率爬升期。

专注于FD-SOI制程技术的“2014上海FD-SOI论坛”于2014年9月下旬举办,主办方包括SOI产业联盟、中国科学院上海微系统与信息技术研究所(SiMiT)以及VeriSilicon公司。SiMiT所长,中国科学院院士王曦再次主持了本次高峰论坛。该论坛是第二次在中国上海举办。

本篇文章将重点关注FD-SOI产业链的诸多环节在一年中发生的变化。

第2页:成本的变化:10+年的生命期

第3页:应用领域的变化:亮点是IoT

第4页:FD-SOI的进展轨迹

第5页:生态链和3D时代的FD-SOI

第6页:FD-SOI在中国:且行且珍惜

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成本的变化:10+年的生命期

对FD-SOI执支持态度阵营的一个主要观点是其可以有效地延长28nm的生命周期。

更重要的是:FD-SOI制程至少在三个先进节点中发挥作用。

“28nm将是一个长寿命节点,FD-SOI是可以有效延伸其生命期的重要技术,”Handel Jones, IBS主席和CEO在本次高峰论坛的主题演讲中表示,“不仅如此,20nm、16/14nm节点也同样如此。”

图1给出了Jones对28nm晶圆供应量的预测,至2018年达到顶峰,直至2024年仍将提供超出2014年的供应量。

(电子工程专辑)
图1:28nm制程将成为名副其实的长寿命节点。

得益于28nm的生命期,我们再看一下FD-SOI整个制成晶圆成本的变化。

图2是Jones在当天会议上分享的FD-SOI成本的预测,图3则是其在去年给出的数据。

(电子工程专辑)
图2:28nm FD-SOI在2015至2017年的成本预测。

(电子工程专辑)
图3:28nm FD-SOI在2013至2014年的成本预测。

无疑,如果图2的预测正确的话,至2017年底,28nm FD-SOI的成本优势有目共睹,成熟制程产线的折旧、晶圆片本身成本降低的优势将不断发酵。

图4则更直观地给出了每百万门成本的比较,28nm FD-SOI一直处于低位。

(电子工程专辑)
图4:不同制程每百万门成本的分析。

第3页:应用领域的变化:亮点是IoT

第4页:FD-SOI的进展轨迹

第5页:生态链和3D时代的FD-SOI

第6页:FD-SOI在中国:且行且珍惜

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应用领域的变化:亮点是IoT

去年,FD-SOI的支持者们主要强调的是移动设备,包括智能手机、平板等应用将主导该制程的广泛采用。

FD-SOI制程的主要优势之一是低漏电性能,这对功耗有严格要求的移动设备应用至为关键。

今年,明显的亮点是IoT(物联网)应用,尽管并没有忘却移动设备。

“IoT是FD-SOI的另一个机会,要求低功耗和低成本制程。” IBS的Jones的观点颇具代表性,“每晚为IoT设备充电是行不通的。”在他的定义中,IoT包括可穿戴电子设备。

(电子工程专辑)
图5:IoT产品链的主要构成和未来趋势。

IoT和移动电子产品涉及到模拟、混合信号、数字等不同的半导体产品。“FinFET能否做RF?这是个大问题,”Jones提出了他的疑问,“但平面制程技术的生命期将持续15至20年。”

以他的观点来看,FinFET是Intel、TSMC等大玩家的玩具,例如,由于提高良率而造成的1年多延迟,Intel至少已造成10多亿美元的损失,“但在过去6个月,业界对FD-SOI的兴趣和需求大幅增加。现在是我们需要改变观念的时候了。”Jones强调。

(电子工程专辑)
图6:制程技术生命期的比较。

第4页:FD-SOI的进展轨迹

第5页:生态链和3D时代的FD-SOI

第6页:FD-SOI在中国:且行且珍惜

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FD-SOI的进展轨迹

无疑,一直在推动并采用FD-SOI制程的STMicroelectronics公司最具话语权。

“体硅晶体管在20nm节点将遇到限制条件,尽管FinFET和FD-SOI在应用领域有交叉的领域,但后者在处理器、嵌入式存储器、模拟以及高速芯片制程上的优势十分明显。”ST技术与产品决策副总裁Laurent Remont表示。

(电子工程专辑)
图7:FinFET和FD-SOI的应用领域划分。

“35%的速度提升以及50%的功耗降低使FD-SOI极具竞争力。”Remont在谈及FD-SOI发展规划时总结到。

(电子工程专辑)
图8:FD-SOI的发展规划图。

以他在会议中提供的4张数据分析表中可以更直观地呈现出FD-SOI的一些性能和特征。

(电子工程专辑)
图9:效率曲线。

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图10:在存储器和模拟及高速芯片中FD-SOI的特性。

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图11:制程复杂性分析。

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图12:针对可穿戴SoC的功耗分析。

来自VeriSilicon、Synapse、Wave Semiconductor的代表分享了他们在IC设计中采用FD-SOI制程的经验和成就,而Global Foundries以及Synopsys讲演者则从代工和EDA工具领域证实了该制程在低功耗的优势。

第5页:生态链和3D时代的FD-SOI

第6页:FD-SOI在中国:且行且珍惜

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生态链和3D时代的FD-SOI

生态链的重要性对于FD-SOI追寻进一步发展的重要性无需质疑。

“SOI并非新技术,其在RF领域已普遍采用。以我的观点来看至2015年,中国的移动处理器、Modem、IoT等器件会采用28nm FD-SOI以及 180nm RF-SOI,而至2018年将升级至20nm FD-SOI和130nm RF-SOI,”IBM技术联盟副总裁Tom Reeves预测到,“与此同时,近期22nm至32nm PD-SOI也会应用在高端网络ASIC以及高性能CPU中。”

IBM在制程研究领域计划在未来的6年中每年投入5亿美元,共计30亿美元。

在演讲中,他提供了全球SOI生态系统的图示(图13),涉及到代工、设计服务、EDA工具、晶圆供应商等。

(电子工程专辑)
图13:SOI生态链系统。

同时,Reeves也特别分析了中国的SOI产业链。

(电子工程专辑)
图14:中国SOI产业链示意图。

而作为SOI家族中的重要一员,“FD-SOI将使摩尔定律继续走下去,”他总结到,“其是进入到10nm制程的最佳方案。”

图15也给出了STMicroelectronics目前能提供的详细的28nm FD-SOI IP列表。

(电子工程专辑)
图15:STMicroelectronics提供的IP清单。

受硅材料特性和物理尺寸的限制,业界普遍认同半导体制程技术发展至10nm时,将不得不走向3D架构,而对于FD-SOI的技术延续性而言,这就是SOI FinFET。

尽管本次论坛并没有深入探讨这个问题,但IBM的研究成果证实了SOI FinFET至少可延伸至7nm节点。

第6页:FD-SOI在中国:且行且珍惜

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FD-SOI在中国:且行且珍惜

首先,再看一下三星电子为何要进入FD-SOI?是FinFET的高成本和良率促使其同时采用FD-SOI作为另一种制程选项:在没有停止投资更先进节点 FinFET 制程的同时,FD-SOI将使该公司具备了双保险,同时拥有不同层次的制程。

其次,TSMC目前认为20nm不是主要节点,将由28nm直接跳至14/16nm FinFET,同时,业界也普遍将22/20nm认为是32/28nm节点的缩小版本。

那么,中国的制程技术现状又是什么?

代表中国半导体代工业制程水平的SMIC刚进入平面28nm量产阶段。

中国是否会采用FD-SOI技术创造弯道超车的机会?也许因为正处于一个十分敏感的决策时期,本次论坛并没有公开讨论这个问题。

但值得一提的是相比于去年的同一论坛,今年的参与者增加了一倍,包括本土IC设计公司代表,同时,整个会议日程也由半天扩展为一天。

戴伟民博士,芯原股份有限公司董事长兼总裁,再次主持了最后的圆桌论坛环节,参与嘉宾为来自Soitec、Global Foundries、Cadence、IBM、IBS、Silicon Catalyst以及STMicroelectronics的高层。

总结几个讨论的主要观点,以及提出但目前答案仍不明确的问题:

1. 在未来的9个月,会出现4至5个采用FD-SOI制程的大批量IC。

2. 基带不需要FinFET的性能,Qualcomm在未来6至9个月为什么不可能转至FD-SOI?

3. STMicroelectronics可以开放FD-SOI的MPW服务。

4. Samsung和GlobalFoundries应该公开其FD-SOI未来规划图。

5. 如果想用FinFET,是否能获得支持?

尽管台上嘉宾均与FD-SOI息息相关,令我感到困惑的是在谈论中出现频繁的两个单词是Chicken和egg,主导方、应用方和支持方的利益关系仍然没有完全理顺。套用一句流行话语,在中国推动FD-SOI,要且行且珍惜。

受制于技术壁垒的限制,自主研发是另一条途径。很遗憾原定参会的中国科学院微电子研究所所长、中国半导体02项目组组长叶甜春未能出席,缺失了他的观点。“FD-SOI是非常有机会的方向。”这是他为本次论坛录制的开幕贺词视频中陈述的一句话。

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图16:圆桌论坛现场。

相关链接:有关“2013上海FD-SOI论坛”所讨论的细节,请访问:FD SOI:是否会扭转FinFET的强势?

《电子工程专辑》网站版权所有,谢绝转载

Yorbe Zhang
ASPENCORE亚太区总裁。
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