本期文章

遵守摩爾定律的FD-SOI技術

撰文/Laurent Remont    

按照摩爾定律,晶片可容納的電晶體數量每兩年提高一倍。然而,摩爾定律不只是在同一顆晶片上將電晶體數量增加一倍的技術問題。摩爾定律暗示,隨著晶片集成密度翻倍,功耗和性能都將會實現大幅度改進。在過去50年裡,半導體工業一直按照摩爾定律發展,因為晶片的三個要素——價格、功耗和性能始終牽一髮動全身。在可預見的未來,半導體工業雖然能夠繼續證明摩爾定律的正確性,但是,當發展到當今最先進的28奈米技術節點以下時,卻遭遇逆風阻擋前進步伐,因為在28奈米以後,技術複雜程度和製造成本都將大幅提升。綜合考慮價格、功耗和性能三個要素,完全空乏型矽絕緣層金氧半電晶體元件 (FD-SOI)是晶片製程向10奈米技術節點發展的最佳選擇。


要素 FD-SOI優於Fin-FET
對於晶片製造商、終端產品廠商和消費性電子廠商,FD-SOI符合摩爾定律的三個要素的要求,而且是一個經市場驗證的解決方案,因為28奈米 FD-SOI製程現已投入量產。目前意法半導體正推廣14奈米 的FD-SOI技術,預計2015年後投入量產,而10奈米 FD-SOI技術還處於研發階段。

最終,成本是任何製程能否帶來投資收益的決定性因素。與傳統CMOS製程相比,FD-SOI是一項全新的技術,所用的晶片也稍貴,但是,更為簡單的結構使其成為30奈米以下的技術節點中成本效益最高的製程。如果採用28奈米技術製作一顆晶片,在相同的選件和金屬層條件下,FD-SOI需要38個光罩,而某些傳統CMOS製程則需要多達50個光罩。FD-SOI縮減製造時間15%,縮短交貨期10%,這兩大優點可大幅降低成本。此外,光罩數量和製造時間減少有助於提高產品良率,從而進一步降低成本。

與FinFET技術相比,FD-SOI的優勢更為明顯。FD-SOI向後相容傳統的成熟的傳統CMOS製程。因此,工程師開發下一代產品時可沿用現存開發工具和設計方法,而且將現有300mm晶片製造廠改造成FD-SOI晶片生產線十分容易,因為大多數設備可以重新再用。

顯然,在10奈米節點以上遵從摩爾定律的製程中,FD-SOI遭遇的技術和成本阻力最小。消費性電子廠商等原始設備製造商受摩爾定律影響數十年,期待半導體廠商在相同價格下提高晶片性能,若價格降低則更好,除非情況極其特殊,否則設備廠商不可能接受高價格。問題的關鍵是FD-SOI能否兌現承諾。除價格優勢外,採用最先進技術的FD-SOI還能改進性能和功耗,以滿足不同應用領域的終端使用者的需求,例如,消費性電子、基礎設施,甚至還有想像不到的未來應用。


FD-SOI具備動態調整優勢
除了「更簡單」之外,電晶體性能強大是FD-SOI與生俱來的優勢,擊穿正向體偏壓(FBB)和更寬的電壓調節範圍更是其獨一無二的特性。簡單地說,在晶片性能固定時,FBB和更寬的電壓調節範圍可降低功耗,或者當功耗固定時,FBB可提高晶片的性能。實際上,FBB在一個電晶體內再形成一個電晶體, 這種管內管技術只有FD-SOI才能實現,而FinFET則無法做到。

FBB特性將會給採用FD-SOI系統晶片的消費性電子產品帶來巨大的好處,在試圖充分利用頻率固定元件和高性能元件以及不同工作模式的應用設計中,FD-SOI晶片的動態優調功能可使性能和功耗達到最佳狀態。


資料中心與物聯網應用有發揮空間
在基礎設施領域,一個資料中心的用電量比一個中等城市的用電量還要大。分析師估計,全球所有資料中心的耗電量總和相當於30座核電站的發電量 ,FBB准許應用系統根據資料中心的負荷動態調節功耗/漏電流/工作頻率。這樣,資料中心的能耗就會與工作負荷成正比,最終FD-SOI可將資料中心的耗電量降低高達50%。

功耗雖然很重要(特別是在資料中心等耗電很大的基礎設施領域),但是在重要性排名中只能屈居性能之後,排在第二位。FD-SOI還能滿足市場的高性能要求。28奈米傳統CMOS製程改用28奈米 FD-SOI後,電路速度提升幅度高達35%。即使性能大幅度提升,FD-SOI電晶體的散熱率仍然較低,因為較低的漏電流和更寬的電壓調節範圍以及FBB提高了晶片的能效,這讓終端設備散熱更小,使用壽命時間更長,大幅降低資料中心等耗電大的基礎設施的間接營運成本,例如電腦散熱支出。

效能對新興的物聯網同樣具有重要意義,要想監控和追蹤每一個物體,物聯網需要在全球部署數十億顆智慧感測器,並確保這些感測器始終連入網際網路。考慮到物聯網的規模和潛力,多達數十億的感測器必須高效能運行,即便在低壓下工作也必須確保高效能,作為效能最高的可行方案,FD-SOI可滿足物聯網的節能要求。

因為採用FD-SOI的ASIC和系統晶片在價格、功耗和性能方面具有先天優勢,意法半導體已取得15項相關設計專案。隨著代工廠和IP合作夥伴組成的生態系統在2014年不斷擴大,意法半導體將有機會羸得更多的設計專案。


結論
半導體工業今天能夠預見10奈米節點以證明下摩爾定律的方法。要想遵從摩爾定律,需要一個能夠發揮基礎製程的價格、功耗和性能優勢的完整方法。因此,FD-SOI自然成為傳統CMOS製程的替代者,將會繼續創造自我價值,同時為依賴晶片的規模龐大的全球工業生態系統創造價值。

(本文作者現任職於意法半導體嵌入式處理解決方案事業部副總裁

技術產品策略部總經理)


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