FD-SOI，半導(dǎo)體“特色”工藝之路能否走通？

在進(jìn)入28納米節(jié)點(diǎn)時，半導(dǎo)體邏輯制造工藝出現(xiàn)了分岔。一條路線走向了三維工藝，即大家所熟知的FinFET，代表廠商有臺積電、英特爾和中芯國際等晶圓制造廠商；另一條路線則還在堅(jiān)持平面工藝，被稱為FD-SOI（Fully Depleted Silicon-on-Insulator，全耗盡硅型絕緣體上硅），代表廠商有意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）。三星電子與格羅方德（GlobalFoundries）則兩條腿走路，對FinFET與FD-SOI都有布局，但三星的先進(jìn)邏輯制造工藝還是以FinFET為主。

由于臺積電與英特爾只選擇了FinFET工藝，三星的重點(diǎn)投入也在FinFET工藝上，因而FinFET工藝成為28納米及以下先進(jìn)工藝的主流選擇，兩廂比較，F(xiàn)D-SOI雖然也是邏輯制造工藝，但更像是一種“特色”工藝，產(chǎn)業(yè)生態(tài)還比較小眾，參與廠商也較少，代表性的產(chǎn)品還不多。不過，自意法半導(dǎo)體2012年建成第一條28納米FD-SOI產(chǎn)線以來，歷經(jīng)多年發(fā)展，F(xiàn)D-SOI工藝的“朋友圈”在不斷擴(kuò)大。

多個節(jié)點(diǎn)選擇

2014年，三星獲得意法半導(dǎo)體28納米FD-SOI工藝平臺的授權(quán)，開始為業(yè)界提供FD-SOI代工制造服務(wù)。2015年，格羅方德推出22納米FD-SOI工藝平臺，成為當(dāng)時最先進(jìn)的FD-SOI制造工藝平臺。

2024年3月，意法半導(dǎo)體和三星聯(lián)合宣布推出18納米FD-SOI工藝，該工藝集成了嵌入式相變存儲器（ePCM），與28納米FD-SOI工藝相比，顯著提高了性能且降低了功耗，支持更大的存儲容量，可實(shí)現(xiàn)高的模擬與數(shù)字外設(shè)集成?；谠摴に嚨男乱淮鶶TM32 MCU將于2024年下半年送樣，計(jì)劃于2025年下半年正式量產(chǎn)。

所以考慮FD-SOI工藝的芯片設(shè)計(jì)公司，目前有三個節(jié)點(diǎn)可以選擇，即28納米、22納米以及18納米，分別由意法半導(dǎo)體、格羅方德與三星提供代工制造服務(wù)。

18納米以下的工藝節(jié)點(diǎn)也在規(guī)劃中。其中，格羅方德已經(jīng)把12納米FD-SOI工藝放在自己的發(fā)展路線圖中，雖然路線圖顯示是2028年以后落地，不過格羅方德發(fā)言在第九屆FD-SOI論壇上表示，預(yù)計(jì)2026年前后即可推出。

市場研究機(jī)構(gòu)IBS首席執(zhí)行官Handel Jones在第九屆FD-SOI論壇上發(fā)表演講時指出，與FinFET的可比較工藝相比，在28/22/18/12納米等數(shù)個節(jié)點(diǎn)上，F(xiàn)D-SOI在功耗、成本和射頻性能等方面比較有優(yōu)勢。而即將推出的12納米FD-SOI工藝平臺，有望借助Chiplet等先進(jìn)封裝技術(shù)，在數(shù)據(jù)中心市場與低功耗移動處理器市場占據(jù)一席之地。

FD-SOI的工藝進(jìn)度并不會停止在12納米，更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)已經(jīng)在開發(fā)過程中。2024年6月，法國CEA-Leti宣布啟動FAMES試驗(yàn)生產(chǎn)線，總投資約8.3億歐元，主要研發(fā)10納米和7納米FD-SOI工藝在內(nèi)的五套新技術(shù)，此中試線的建設(shè)，已經(jīng)得到了43家公司的支持。

在這次論壇上，參會觀眾也對FD-SOI工藝的發(fā)展前景做出了投票，其中八成以上觀眾認(rèn)為需要引入12納米FD-SOI工藝。但對是否發(fā)展10納米FD-SOI工藝則分歧更大。

豐富的IP支持

一種工藝能否被廣泛應(yīng)用，除了產(chǎn)線建設(shè)，IP支持也很重要。作為FD-SOI生態(tài)的主要參與廠商之一，芯原股份早在2013年就開始進(jìn)行基于FD-SOI工藝的IP技術(shù)開發(fā)，在格羅方德22納米FD-SOI產(chǎn)線22FDX建成以后，芯原也是最早支持該工藝平臺的中國IP供應(yīng)商。

據(jù)芯原股份創(chuàng)始人、董事長兼總裁戴偉民博士介紹，芯原在22納米FD-SOI工藝上已經(jīng)開發(fā)了59個模擬和數(shù)?；旌螴P，其中已經(jīng)授權(quán)260多次，客戶有40多家，在量產(chǎn)的項(xiàng)目有25個。

在射頻上，芯原也為用戶提供了包括藍(lán)牙、Wi-Fi、Cat-1、NBIoT和GNSS等常用射頻IP，所有IP都進(jìn)行了實(shí)際流片的硅驗(yàn)證，并配合有相應(yīng)的基帶IP。

除了芯原，在這次論壇上，來自法國的Dolphin Design和上海昇貽半導(dǎo)體科技有限公司也展示了各自在FD-SOI上的IP產(chǎn)品及設(shè)計(jì)服務(wù)業(yè)務(wù)。其中Dolphin給出了基于格羅方德22FDX的音頻和電源管理IP，而昇貽則為用戶提供了基于22FDX標(biāo)準(zhǔn)單元庫，并可以為FD-SOI芯片提供定制化開發(fā)服務(wù)。

實(shí)際上，由于和傳統(tǒng)CMOS制造工藝差別較大，F(xiàn)D-SOI芯片的設(shè)計(jì)對EDA工具也有要求。芯和半導(dǎo)體首席執(zhí)行官凌峰博士指出，從EDA的角度來看，要支持好FD-SOI的用戶設(shè)計(jì)芯片，需要EDA/IP廠商與晶圓廠合作，針對FD-SOI工藝做出相應(yīng)的優(yōu)化與變更。例如提供針對FD-SOI工藝的PDK、提供相應(yīng)IP、EDA工具在FD-SOI晶圓廠驗(yàn)證，以及為FD-SOI與其他工藝異質(zhì)集成做好相應(yīng)的工具鏈準(zhǔn)備等。

落地產(chǎn)品日漸多樣

FD-SOI工藝能否被更多廠商接受，還要看能否持續(xù)推出有市場競爭力的芯片產(chǎn)品。作為最早推出FD-SOI工藝的廠商，早在2013年，意法半導(dǎo)體就開發(fā)出過基于28納米FD-SOI工藝的手機(jī)移動處理器。此后，意法半導(dǎo)體將FD-SOI工藝應(yīng)用于車規(guī)MCU，其著名的Stellar系列MCU即由FD-SOI工藝制造，與傳統(tǒng)CMOS工藝相比，用FD-SOI工藝制造出來的MCU，工作頻率有顯著提升，高溫時的漏電流下降35%，軟件安全性與可靠性方面也有更好表現(xiàn)。

用FD-SOI工藝的知名MCU產(chǎn)品，還有恩智浦公司的i.MX7與i.MX8系列、瑞薩第一款22納米MCU基于Arm Cortex-M核的 RA系列等。其中瑞薩的這款產(chǎn)品，是由芯原代開發(fā)的。另外一款芯原提供設(shè)計(jì)服務(wù)的產(chǎn)品，累計(jì)出貨已經(jīng)超過6000萬顆，采用了自適應(yīng)體偏置技術(shù)（Adaptive Body Bias，ABB），相比28納米體硅CMOS工藝功耗下降55%，只用2節(jié)AA電池就可支持設(shè)備運(yùn)行2年。

FD-SOI工藝集成射頻也有優(yōu)勢。所以，除了MCU/SoC，F(xiàn)D-SOI工藝也常用做通信芯片，例如意法半導(dǎo)體就將FD-SOI工藝應(yīng)用于調(diào)制解調(diào)器、波束成形等無線通信產(chǎn)品中，索尼則將FD-SOI工藝應(yīng)用于GPS芯片中。

很多新公司正在加入到FD-SOI生態(tài)圈。在本屆會議上，芯思原微電子介紹了一款基于FD-SOI工藝的BLE MCU，至成微科技（浙江）有限公司則帶來了一顆基于FD-SOI工藝的Wi-Fi 6和雙模藍(lán)牙的單芯片，芯港半導(dǎo)體介紹了用FD-SOI工藝開發(fā)的一顆物聯(lián)網(wǎng)定位芯片。

總結(jié)

FD-SOI工藝在低功耗、射頻集成、NVM存儲集成、軟件安全性等方面有比較優(yōu)勢，在多個節(jié)點(diǎn)上與體硅工藝相比也有成本優(yōu)勢，但是在主流晶圓制造廠商主要走FinFET路線以后，F(xiàn)D-SOI的發(fā)展速度相對較慢，尤其是能夠提供制造工藝的晶圓廠還比較少，所以規(guī)模效應(yīng)尚有很大的提升空間。不過伴隨著意法半導(dǎo)體、三星與格羅方德等晶圓廠的下一代路線圖的發(fā)布，作為一種“特色”邏輯工藝，F(xiàn)D-SOI的市場還有望持續(xù)擴(kuò)大。

目前能夠按照日程表迭代先進(jìn)工藝的晶圓廠似乎只剩下了臺積電，英特爾與三星都有點(diǎn)跟不上節(jié)奏，在工程極限影響下，先進(jìn)工藝路線繼續(xù)分岔的可能性又增加了。

而考慮到地緣政治影響，中國大陸的晶圓廠，在成本、產(chǎn)能、時間與供應(yīng)鏈的約束下，走出一條有中國特色的先進(jìn)晶圓制造技術(shù)路線似乎不可避免。FD-SOI發(fā)展過程中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，可以作為有“中國特色”的先進(jìn)晶圓制造技術(shù)路線的參考，這樣看來，F(xiàn)D-SOI發(fā)展得好不好，就不是單FD-SOI生態(tài)圈的事情，而是整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)都應(yīng)該關(guān)心的事情。