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工艺多元化这场豪赌,格罗方德胜算几何?

2015/09/22
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纯逻辑先进工艺方面,格罗方德(GLOBALFOUNDRIES)半导体公司应该是全世界拥有最多选项的半导体代工厂。既有获得三星授权的14nm FinFET工艺,又在准备由收购的原IBM微电子部门来独立开发10nm与7nm工艺,还有其独家力推的FD-SOI工艺。

在英特尔、三星与台积电等都坚持走FinFET(鳍式场效应管)路线时,格罗方德一直两线作战,在推进向FinFET工艺转进的同时,持续在FD-SOI工艺上进行投入,那么FD-SOI工艺究竟有何魔力呢?

右:格罗方德全球设计解决方案部门副总裁Subramani Kengeri

左:格罗方德RF部门业务开发与产品营销总监Peter Rabbeni

FD-SOI是物联网芯片最佳工艺平台?
FD-SOI即二维全耗尽平面晶体管工艺,相对于三维FinFET工艺追求性能至上,FD-SOI工艺在性能、功耗和成本方面更为均衡。格罗方德全球设计解决方案部门副总裁Subramani Kengeri表示,随着PC市场与移动计算市场增速放缓,控制成本与降低功耗已经取代单纯强调性能成为未来半导体市场增长的驱动力,在服务器、PC与高端手机等强调性能的市场FinFET工艺还是首选,但是FinFET工艺功耗相对较高,价格也很昂贵,并不适合高端市场之外的应用,在这些应用场合FD-SOI工艺更有优势。

格罗方德对于FDSOI和FinFET工艺的对比

以格罗方德最新推出的命名为22FDX的22nm FD-SOI工艺为例,其浸没式光刻层比FinFET工艺少近50%,流片成本与28nm的28HKMG工艺相当,在性能上与功耗表现上均大幅领先于28HKMG工艺。以实现一颗1.2GHz的ARM Cortex A7处理器为例,与28SLP-HKMG工艺相比,采用22FDX工艺制造的芯片在功耗降低18%的基础上,性能提升了50%。

22FDX与28SLP-HKMG相比优势明显


在功耗方面,22FDX工艺有两点值得关注。Subramani指出,仅从功耗方面来考虑, 0.4V是现在所有工艺的最佳工艺电压。22FDX提供0.4V电压工艺,通过降低供电电压,可以减小芯片的动态功耗与静态漏电流。此外22FDX还提供软件控制晶体管偏置电压功能(Software-controlled transistor body-biasing),可使用户在芯片运行时,根据应用情况动态调节体偏置电压,从而在性能和功耗之间达到动态的平衡,利用这个功能,用户可以在系统级别实现更省电的效果。

低功耗是22FDX的优势

目前物联网产品应用芯片多采用相对成熟的工艺制程(例如40nm或65nm),虽然晶圆厂会对这种成熟工艺进行优化,以降低芯片的功耗,但是这种改造所能够达到的效果与FDSOI工艺相比,还是存在巨大的差距。

此外22FDX平台也整合了嵌入式闪存射频(RF)工艺,所以从性能、功耗、成本等参数来看,FD-SOI工艺有成为物联网最佳工艺平台的潜质。

 

欲与GaAs一争高下的RF SOI工艺

相比新推出的22nm FD-SOI工艺22FDX,格罗方德在RF SOI工艺上更为成熟。自2007年推出RF SOI工艺以来,格罗方德已经交付的RF SOI产品超过165亿件,与全球80%以上的顶级射频前端模块供应商在该工艺上进行了合作,其中包括中国的一些公司。

移动网络从2G、3G发展到4G,对射频的要求越来越高,手机的射频架构也越来越复杂,如今的智能手机需要更高性能的射频解决方案,RF-SOI工艺可以满足智能手机对于射频器件的需求。”格罗方德RF部门业务开发与产品营销总监Peter Rabbeni说道。

手机射频模块越来越复杂,对于射频器件提出越来越高的要求

Peter认为,虽然目前射频功率放大器(RF PA)的主流工艺还是GaAs(砷化镓),但是RF SOI工艺已经在奋起直追,之所以有越来越多的射频产品选择了RF-SOI工艺,是因为RF SOI工艺有如下一些优点:

首先,RF SOI可以实现器件堆叠(device stacking),从而同时提高了功率与能效比;其次,RF SOI工艺采用的衬底降低了寄生效应,这样制造出来的射频芯片品质因数更高、损耗更低、噪声系数更好,同时这种衬底也提高了产品的绝缘水平与线性度;第三,RF SOI可以集成逻辑与控制功能,这是GaAs工艺无法做到的,所以GaAs器件在应用当中需要再搭配一颗控制芯片,采用RF SOI工艺就可以把PA和控制功能集成到一颗芯片上,在降低成本的同时又节省了宝贵的PCB面积;最后与GaAs工艺相比RF SOI工艺更便宜,该工艺现在非常成熟,格罗方德也做好了足够的产能储备。

 

RF SOI工艺的优势

Peter强调RF SOI技术尤其适合中国市场,他说:“TD-LTE系统采用分时收发的策略,不会同时双向收发数据,这就降低了射频前端模块的复杂度,采用RF SOI技术可以有机会实现更高的集成度从而进一步降低4G设备的成本。”

RF射频前端模块工艺发展趋势

 

工艺多元化,冒险还是必然选择?

开发与运行一条先进半导体工艺产线的成本越来越高昂,这也是无晶圆模式越来越流行的原因,不过格罗方德在先进工艺上的选项看起来有点多。当被问道为何坚持提供FinFET与FD-SOI两种工艺时,Subranmani并没有直接回答这个问题,他先是比较了FinFET与FD-SOI工艺的优缺点,指出FD-SOI工艺相比FinFET具有更广泛的应用领域,然后话锋一转,谈到台积电与三星也曾开发过28nm FD-SOI工艺,虽然不清楚台积电与三星是否也在研究第二代FD-SOI技术(即22nm FD-SOI),但是Subranmani认为现在的先进工艺在各个晶圆厂之间已经不能实现兼容(除了格罗方德与三星合作14nm FinFET工艺这种情况,这实际上是源于一家的技术),设计公司也很难无缝从一家代工厂迁移到另外一家代工厂。


一方面随着工艺越来越接近物理极限,出现分叉是正常现象,英特尔已经在10nm遇到了麻烦,目前没有人敢肯定FinFET就是唯一正确的道路;另一方面随着流片成本的增高,设计公司选择工艺会越来越谨慎,如果晶圆厂能够提供多样化工艺选择,这样对于设计公司的长期发展是有利的,模拟、射频工艺早就呈现多元化发展,数字逻辑呈现多样化也并非不可能。

当然工艺的多样化也孕育着很大的风险,是否有足够的资源支撑一种新工艺的生存便是最大的风险。持续的资金投入只是必要条件之一,如何调动整个产业链围绕这种新工艺运转起来才是最重要的。从原料到设备,从工具到IP,从产能到良率,缺一不可,关键还要有设计公司愿意当小白鼠来尝试新工艺。


据说,这一届的FD-SOI论坛比以往热闹了很多。

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