FD-SOI何时起飞？芯原：IP已经不成问题

在2001年，加州大学伯克利分校的胡正明教授、Tsu-Jae King-Liu教授和Jeffrey Bokor教授提出了两种解决方案，以将CMOS工艺技术扩展到20纳米以下。这两项技术分别是FinFET 3D全耗尽晶体管和FD-SOI 2D全耗尽晶体管。

什么是FD-SOI？

FD-SOI，即全耗尽硅型绝缘体上硅技术（Fully Depleted Silicon-on-Insulator）‌，它主要依赖于两项主要创新：在基底硅的顶部放置一层超薄绝缘体（掩埋式氧化物）和一个非常薄的硅膜来实现晶体管沟道，其关键尺寸包括通道厚度和顶层硅厚度。由于沟道非常薄，无需对通道进行掺杂工序，耗尽层充满整个沟道区，即全耗尽型晶体管。

虽然当前业界主流的先进半导体工艺是FinFET，但FD-SOI技术以其超薄、全耗尽的通道提供了更好的栅极控制，从而实现了更好的晶体管缩放。与传统的平面体晶体管和FinFET 3D全耗尽晶体管相比，FD-SOI技术具有其独特的优势。

FD-SOI产业的里程碑

自2012年以来，FD-SOI技术取得了一系列的产业里程碑。包括：

2012年意法半导体（ST）推出28nm FD-SOI平台；

2013年，Soitec突破了FD-SOI高质量基板的技术瓶颈，芯原微电子（VeriSilicon）与ST合作开发FD-SOI技术；

2014年，三星获得意法半导体28nm FD-SOI工艺平台的授权，芯原开始与三星在FD-SOI技术上合作，同年上海新傲科技获得了Soitec Smart-Cut技术授权；

2015年，格罗方德（GlobalFoundries，GF）推出22FDX，22nm FD-SOI代工平台，芯原与GF合作开发FD-SOI技术；

2016年，上海新昇科技宣布收购Soitec 14.5%的股权；

2017年更是FD-SOI快速发展和批量应用的一年，GF推出了基于FD-SOI技术的FDXcelerator芯片，NXP的i.MX7、i.MX8等8款应用处理器采用FD-SOI技术，索尼的新一代GPS采用FD-SOI技术，欧特莱卫星通信公司的下一代交互应用SoC采用FD-SOI技术，Dream Chip推出首款用于汽车计算机视觉的ADAS SoC。另外国内的瑞芯微、复旦微电子、湖南国科微也宣布使用22nm FD-SOI工艺设计IoT芯片。

在日前举办的第九届上海FD-SOI论坛上，主办方代表芯原股份创始人、董事长兼总裁 戴伟民博士在开幕致辞中表示，自2013年首届论坛举办以来，参与人数从50人增加到2019年第七届论坛的450多人。“这一增长反映了FD-SOI技术在全球范围内受到的广泛关注和快速发展。”

芯原股份创始人、董事长兼总裁 戴伟民博士

“自2013年以来，芯原（VeriSilicon）连续举办了八届FD-SOI论坛。”戴伟民表示，“在第八届上海FD-SOI论坛上，我们与来自GlobalFoundries、意法半导体、三星电子、IBS、NXP等公司的嘉宾一起，讨论了FD-SOI技术当前的市场成就和未来的发展。我们一直在问，FD-SOI什么时候起飞？现在看来，至少IP已经不是一个问题了。”

FinFET和FD-SOI，两条腿走路

从高性能、低功耗的设计需求出发，IP作为设计环节中的关键因素，对FD-SOI技术的应用起到了至关重要的作用。为了支持和促进SoC设计，芯原自十年前就开始投入研发力量，开发并建立了一套基于22nm FD-SOI工艺的IP平台。

据介绍，芯原在22nm FD-SOI上拥有59个模拟和数字模拟混合IP，包括基础IP、DAC IP、接口协议IP等。戴伟民表示，公司已经向40多个客户授权了260多次FD-SOI IP核心，并为全球主要客户完成了约30个芯片设计项目，其中25个项目已投入生产。

其中，丰富的射频（RF）IP和基带IP组合，包括BTDM、BLE、802.11ah、802.15.4g、Cat-1、NB-IoT、GNSS。所有RF IP都经过了硅验证，并设计了基带IP以提供完整的无线IP解决方案。

此外，芯原还提供了包括MIPI DPHYRX、MIPI DPHYTX、USB2.0 PHY、USB3.0 PHY、PCIE3.0 PHY、PCIE2.0 PHY、12G SERDES PHY、HDMI 2.0 TX PHY、LVDS RX、LVDS TX、MIPI CDPHYRX和MIPI CDPHYTX在内的接口IP。

据悉，芯原基于FD-SOI的Turnkey服务包括世界上第一个应用自适应体偏置技术（Adaptive Body Bias，ABB）的案例，累计出货量超过6000万，与28nm体相比功耗降低了55%。以下图一款室外无线监控摄像头产品为例，使用2节AA电池可支持2年的运行时间。

戴伟民介绍了芯原的首个基于体偏置的SoC设计，这为下一代物联网单芯片解决方案提供了新的方向。据悉，这项技术可以实现最低的动态功耗和泄漏功耗，具体包括：

• 反向体偏置，待机监控模块漏电功率降低 10 倍；
• 正向体偏置，基带模块性能更高，动态功耗更低；
• 电源关闭，待机模式下可关闭射频模块和基带模块。

“随着Wi-Fi 6、Wi-Fi 7、LTE CAT-1、CAT-4和毫米波技术的发展，FD-SOI技术在宽带连接领域展现出巨大的潜力。”戴伟民说道，如今业界在半导体工艺上开始采用“双足战略”（Walking with Two Legs）,FD-SOI技术在物联网、5G、图像传感器、自动驾驶、航空、毫米波雷达、长待机应用、云服务和高性能服务器等领域有着广泛的应用；而FinFET技术则在前沿消费电子、连续高性能应用、AI和边缘计算等领域发挥着重要作用。“我们可以看到，在一些需要超低功耗、稳定性的终端应用上，FD-SOI具备FinFET没有的优势，例如IoT、5G、图像传感器、毫米波雷达以及需要长续航的应用。”

如今智慧物联网正加速普及，大量带AI、可互联的终端产品正进入千家万户，惠及大众的边缘AI正成为现实。但这类设备对于低功耗、可靠性的要求如何在芯片层面得到满足？FD-SOI和FinFET两条腿走路，实现AI异构计算的融合或许才是发展之道。11月5日，Aspencore将在深圳举办一场关于‘边缘·芯未来’的前瞻性对话暨探讨，芯原执行副总裁，业务运营部总经理汪洋将发表题为《塑造智能计算的未来：惠及大众的AI技术》的主题演讲，欢迎点击链接报名参会：https://app.zhundao.net/event/pc/index.html?track=0005&id=371182

芯原在FD-SOI技术上的布局

近年来，FD-SOI技术在物联网(IoT)、可穿戴设备、智能家居、汽车电子、高精度导航、新能源、无线电池管理系统(BMS)以及医疗健康等领域取得了显著进展。FD-SOI技术以其高性能、高集成度、低功耗和自适应体偏置等特性，在实际设计和应用中展现出了巨大的潜力。

芯原股份无线IP平台高级总监 曾毅在主题为《为SoC设计提供基于FD-SOI的IP技术平台》的演讲中分享了公司在FD-SOI技术上的最新进展和成果。

芯原股份无线IP平台高级总监 曾毅

芯原的无线IP平台覆盖了Sub 6G的所有频段以及多种应用场景，包括短距离连接的蓝牙（BLE）、Wi-Fi，中距离通信的802.11H和15.4G，以及远距离通信的4G LTE和Wi-Fi。

曾毅特别强调了BLE IP平台，该平台提供了完整的BLE技术解决方案，支持BLE5.4标准，具有优秀的整体性能和超低功耗特性。同时，BLE IP平台还具备灵活的架构，方便客户通过软件进行升级，并已广泛应用于智能家居、可穿戴设备、医疗健康和工业控制等领域。

在GNSS方面，曾毅介绍了芯原的VSI GNSS平台，该平台支持GPS/BDS/Galileo/Glonass四种卫星导航模式，在L1和L5频段上实现高精度定位和导航。VSI GNSS平台由双通道RF IP、基带IP和运行在RISC-V CPU上的固件组成，具有高灵敏度捕获和跟踪能力、快速启动和重捕能力，以及厘米级定位精度。

“该平台已集成到多个SoC中，并在智慧农业等领域中取得了成功应用。”曾毅表示。

曾毅还介绍了芯原为客户定制的基于802.11ah标准的Sub-1G无线解决方案。该方案实现了802.11ah物理层（PHY）的完整功能，包括视频收发机、MAC层以及PMU和时钟模块，集成了RF TRX、基带、PMU和XO，主要应用在家庭无线摄像头和智能门铃等设备中。该解决方案支持高达20dBm的发射功率，覆盖范围可超过300米，并支持大于7Mbps的传输带宽，是一款高性能的无线解决方案。

具体案例：FD-SOI用于BLE MCU

有了IP解决方案，还要有落地的产品，以蓝牙MCU为例，过去大多通过两颗Die以SIP封装方式集成（BLE Die + MCU Die）。“业界的目标是将这两颗Die合并到一颗中，这将带来降低系统功耗、缩小PCB尺寸、降低BOM成本、提高系统可靠性等好处。”芯思原微电子有限公司研发总监 高挺挺在主题为《基于FD-SOI工艺的BLE MCU一体化设计》的演讲中表示，“然而，这也带来了如电源管理、RF干扰、安全隐私保护、软件开发复杂性以及调试和测试难度等挑战。在低功耗设计方法论中，FD-SOI技术在模拟设计方面表现出高效率和性能，同时在RF/mmW设计中展现出高频行为优势。”

芯思原微电子有限公司研发总监 高挺挺

芯思原成功开发了基于FD-SOI工艺的BLE MCU一体化设计方案，高挺挺指出，FD-SOI技术在模拟性能、低噪声、高效短设备、高频行为以及非常大的VT调节范围等方面都有显著优势。“这些优势使得FD-SOI技术在所有模拟块的速度上都有提升，通过其独特的结构，能够在不牺牲性能的前提下显著降低功耗。”

他展示了仿真实验数据，对比了28nm FD-SOI LVT NMOS与28/40nm Bulk CMOS在高频行为（fT和fmax）上的表现，实验结果显示，尽管面积相同且输出频率一致，但Bulk CMOS的功耗远高于FD-SOI，后者仅为27nA。考虑到对芯片性能的高要求，客户最终选择了FD-SOI工艺。这证明了FD-SOI具有更高的效率和更低的功耗，这对于BLE MCU在数据传输和实时响应方面的要求十分重要。

高挺挺还提到了埋氧层（Buried Oxide Layer）可以增加击穿电压，这对PA输出功率有积极影响，同时对于BLE设备的通信距离和稳定性至关重要。“FD-SOI技术具有出色的抗干扰能力，能够在复杂的电磁环境中保持稳定的通信性能。”

据介绍，BLE MCU的系统架构设计，包括MCU核心、BLE模块、电源管理单元（PMU）等关键组件。其中系统架构的灵活性和可扩展性，是满足不同应用场景需求的基础。

另外，低功耗、射频也是BLE MCU的核心考量因素。高挺挺分享了芯思原在低功耗和基于FD-SOI技术的RF设计方面的经验和技术，如电源门控、时钟门控、收发机、前端器件等，除了可以进一步优化芯片的功耗表现，还体现出了FD-SOI在RF设计中的优势。

“在低功耗设计方面，芯思原拥有一套独特的know-how，可以概括为四个层级：系统级（system level）、架构级（architecture level）、设计级（design level）以及晶体管级（transistor level）。”高挺挺说道。

基于FD-SOI工艺的BLE MCU在多个市场应用场景中极具潜力，包括医疗保健、工业控制和智能家居。例如，在医疗保健领域，集成BLE MCU的可穿戴设备不仅降低了功耗，还提高了数据传输效率，使用户能够实时监控健康数据并享受更便捷的生活。

随着5G技术的普及，物联网设备的数量将持续增长，对低功耗、低成本、高性能的集成BLE MCU的需求也将随之增加。FD-SOI技术以其在低功耗、高性能和抗干扰能力方面的独特优势，将成为BLE MCU和无线芯片的关键技术之一。随着GF、ST、三星等Foundry厂加大对FD-SOI技术的投入，FD-SOI技术的生态系统将日益成熟，其在高频和低功耗应用领域的作用将越来越重要。

资料显示，芯思原微电子有限公司成立于2018年9月，坐落在安徽省合肥市高新技术产业园区，并在北京、上海和深圳设有分支机构。芯思原微电子有限公司由芯原微电子（上海）股份有限公司(Verisilicon)和美国新思科技(Synopsys)等4家公司共同投资设立，公司基于各类高速接口IP和模拟IP，先后开发了适用于健康、物联网和新能源存储的IC芯片。

FD-SOI的市场增长和技术发展

从2022年的9.3亿美元增长到2027年的40.9亿美元，FD-SOI技术市场规模的年复合增长率为34.5%，显示出其在半导体市场中的广泛关注和快速增长。全球各个国家、大型半导体企业和科研机构也在纷纷加码FD-SOI的投资。

欧盟投资12nm FD-SOI：2022年7月12日，法国总统马克龙、欧盟委员、GlobalFoundries首席执行官Thomas Caulfield和STMicroelectronics总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery宣布，ST和GF将在法国建设一个新的12英寸晶圆厂，用于12nm FD-SOI技术，以推进FD-SOI生态系统的发展。

ST和三星联合推出18nm FD-SOI技术：2024年3月19日，ST和三星联合宣布了18nm FD-SOI技术，该技术集成了嵌入式相变存储器（ePCM），显著提高了性能并降低了功耗。更大的存储容量和更高级别的模拟和数字外设集成。基于这项新技术的首个下一代STM32 MCU将于2024年下半年开始采样，计划于2025年下半年投入生产。

CEA-Leti宣布启动10nm和7nm FD-SOI试点线：2024年6月11日，法国CEA-Leti宣布启动FAMES试点线，将开发包括10nm和7nm FD-SOI在内的五套新技术。这一举措与欧盟芯片法案的雄心相一致，已有43家电子系统价值链中的公司正式表达了对FAMES倡议的支持。

最后戴伟民表示，随着FD-SOI工艺的不断进步，芯原将继续致力于FD-SOI技术的研发和推广，不断优化和完善其IP平台，以更好地满足市场需求。他相信，在FD-SOI技术的推动下，芯原将继续在设计领域发挥重要作用，推动整个行业的发展。

除了芯原带来的精彩演讲，11月5-6日两天的峰会还将带来以下精彩内容，欢迎扫码报名：