因为没有可见的终端产品能证明其号称超低功耗的特色,全空乏绝缘上覆硅(fully Depleted Silicon On Insulator,FD-SOI)工艺一直得努力克服半导体产业界许多质疑,例如:该技术的好处在哪?在商业市场上有实际产品吗?它真正的优势何在?

终于,现在有实际产品可以做为FD-SOI工艺的实证──是一只中国智能手机品牌厂商小米(Xiaomi)副品牌华米(Huami)新推出的智能手表Amazfit,内建了日本大厂索尼(Sony)以28纳米FD-SOI工艺生产的GPS芯片。

Amazfit定价120美元,配备了一系列运动追踪传感器以及蓝牙低功耗4.0芯片、Wi-Fi无线芯片、GPS芯片、心律传感器以及NFC;该款智能手表的独特之处在于较长的电池寿命,据华米表示,它能五天充电一次、或是开启GPS功能35小时。

这是Sony的一场胜利,对FD-SOI支持者来说甚至是更大的胜利;华米的智能手表证明了该技术号称超低功耗的特性。 20161008-FOI-1 华米新推出的Amazfit智能手表

法国晶圆厂商Soitec执行长Paul Boudre在接受EE Times访问时表示:“去年产业界对FD-SOI的讨论集中在该技术与另一种工艺技术FinFET之间的竞争;”而在今年,业界对FD-SOI的讨论终于从理论性的工艺技术比较,转移到由产品与应用所决定的技术竞争。他指出,衡量FD-SOI的标准在于该技术能为终端产品带来的价值,也就是它实际的能源使用效益。

Sony是在2015年1月于日本东京举行的SOI产业联盟会议上,发表以28纳米FD-SOI工艺技术制造的新一代全球卫星导航系统(GNSS)芯片;接着在今年初举行的国际固态电路会议(ISSCC)上,Sony的工程师团队发表了一篇关于28纳米FD-SOI工艺GNSS接收器的技术论文。 20161008-FOI-2 Sony在2016年度ISSCC发表的GNSS接收器芯片RF电路 (图片来源:ISSCC)

该篇Sony论文作者指出,GNSS是感测处理器的基础,至于该功能为何如此难以内建于可穿戴系统,是因为目前的GNSS接收器耗电量约10mW:“GNSS接收器的低噪声RF需要高供应电压,带来非常高的耗电。”

Sony是透过有效利用FD-SOI工艺开发出的0.7V射频(RF)电路实现其技术突破;在上个月,Sony也参加了在中国上海举行的FD-SOI论坛,探讨该公司的FD-SOI工艺GNSS接收器最终成品。 20161008-FOI-3 随着Sony完成了FD-SOI工艺的GPS/GNSS芯片RF与逻辑电路设计,该公司将持续追踪位置的RF功耗,从6.3mW (前一代芯片)大幅降低至1.5mW。 20161008-FOI-4

对中国市场的影响

Soitec的Boudre指出,华米智能手表的电池续航力在GPS功能开启的情况下,是竞争产品的2.5倍,藉此证明了Sony芯片的价值,以及FD-SOI工艺技术在功耗/性能/成本方面的优势。 20161008-FOI-5Soitec 执行长Paul Boudre戴着华米的智能手表

在这样的推广效应下,中国的无晶圆厂芯片设计厂商开始对于以FD-SOI工艺设计芯片越来越有兴趣;Boudre预测,在未来12~18个月:“会发现来自中国的终端产品内,出现更多采用以FD-SOI工艺设计、制造的芯片。”

此外市场也持续猜测中国纯晶圆代工厂上海华力微电子(Huali),可能会开始提供FD-SOI工艺;对此Boudre表示:“他们有机会这么做。”

而且Boudre透露,华力并非唯一向FD-SOI工艺靠拢的中国晶圆代工厂商;在一年前,Soitec与中国的半导体硅材料供货商上海新傲科技(Simgui Technology)共同宣布,首批采用Soitec 独家Smart Cut 技术之8吋(200-mm) SOI晶圆片,已经在新傲的上海厂产出。

FD-SOI工艺现况

目前包括三星(Samsung)与Globalfoundries都在推广FD-SOI工艺代工,前者采用28纳米节点,后者是22纳米;而Boudre认为,中国也会在FD-SOI工艺的推广上扮演要角:“当Globalfoundries表示,其FD-SOI工艺生产线已经有50个设计案进行中,该技术已经接触产业界每一家芯片制造商。”

就在上个月,Globalfoundries宣布,其接续22FDX的下一代FD-SOI工艺12FDX已经接近量产;12FDX号称能提供媲美10纳米FinFET工艺的性能,比16纳米FinFET更佳的功耗表现以及更低的成本。预计12FDX的客户投片时程在2019上半年。

如Boudre所言,某些特定应用需要FinFET晶体管的高性能,但有很多联网设备需要高(RF)整合度、更高的弹性、超低功耗以及更低成本,却是FinFET无法提供的。最近车用视觉处理器芯片设计厂商Mobileye决定选择以FinFET工艺生产新一代EyeQ 5芯片(预计2018年上市),但该公司先前一直是委托意法半导体(STMicroelectronics)采用FD-SOI工艺生产所有的EyeQ视觉处理器芯片。

对此Boudre表示:“这件事很简单,Mobileye在去年必须要决定工艺技术,但当时12纳米FD-SOI工艺还未就绪,只好选择另一种工艺技术;所以工艺发展蓝图真的很重要。”

他指出,法国技术研究机构CEA-Leti就正在为FD-SOI工艺开发更长期的技术蓝图,最近已经公布了10纳米的FD-SOI工艺“硅数据(silicon data)”,该机构现在已经具备7纳米节点的FD-SOI工艺“建模资料(modeling data)”。

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