“傳統(tǒng)Bulk CMOS工藝技術(shù)將在20nm走到盡頭，必須用創(chuàng)新的思路和方法尋找新的替代工藝。”----IBS主席兼 CEO Handel Jones 

　　現(xiàn)在，大量IC采用體硅CMOS（Bulk CMOS）工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這是一種制造成本低、性能較高和具備不錯(cuò)低功耗性能的成熟技術(shù)，但是，當(dāng)工藝節(jié)點(diǎn)升級(jí)到20nm左右時(shí)，Bulk CMOS將無法獲得等比例縮小的性能、成本和功耗優(yōu)勢(shì)，很多業(yè)者認(rèn)為Bulk CMOS工藝技術(shù)將在20nm走到盡頭，面對(duì)越來越近的這個(gè)極限，哪種工藝技術(shù)可以接替Bulk CMOS，繼續(xù)引領(lǐng)半導(dǎo)體技術(shù)的革命？ 英特爾和TSMC認(rèn)為采用3D架構(gòu)的FinFET工藝可以延續(xù)工藝技術(shù)scaling的特點(diǎn)，而且FinFET具有功耗低，面積小的優(yōu)點(diǎn)，因此兩家公司以及主要半導(dǎo)體代工企業(yè)都在計(jì)劃推出自己的FinFET晶體管，不過，雖然英特爾已經(jīng)量產(chǎn)了22nm FinFET工藝晶體管，但是在向14nm演進(jìn)時(shí)，其產(chǎn)品發(fā)布一再延遲。現(xiàn)在，F(xiàn)inFET工藝技術(shù)在scaling的演進(jìn)中，遇到了很大的挑戰(zhàn)，還有其他替代Bulk CMOS工藝技術(shù)的方案嗎？ FD-SOI（全耗盡型絕緣層上硅）技術(shù)，一種主要由意法半導(dǎo)體推崇的工藝技術(shù)正在越來越受到產(chǎn)業(yè)關(guān)注，并有望成為Bulk CMOS技術(shù)的有力替補(bǔ)。10月13日，來自全球代工企業(yè)、半導(dǎo)體材料企業(yè)以及IC設(shè)計(jì)企業(yè)的高管聚集上海，參加國際SOI產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（SOI Industry Consortium）、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（SIMIT,中國 SOI 技術(shù)的先驅(qū)者）和芯原股份有限公司聯(lián)合舉辦“FDSOI 技術(shù)高峰論壇”。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所所長，中國科學(xué)院院士，本次會(huì)議的聯(lián)席主席王曦主持了論壇。與會(huì)者認(rèn)真分析對(duì)比了FD-SOI與FinFET工藝技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)兩種工藝技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了深入的探討，達(dá)到了一定的共識(shí)。

　　一、 FD-SOI的優(yōu)勢(shì)分析 

　　FD晶圓由氧化埋層（BOX）和BOX之上的極薄硅層組成，從而為在此層建成的晶體管提供獨(dú)特性能，F(xiàn)D-SOI以極薄的頂層確保了晶體管的各種關(guān)鍵屬性。與傳統(tǒng)Bulk CMOS相比，在保持相同性能的前提下，F(xiàn)D晶圓可節(jié)省高達(dá)40%的功耗。同樣，依據(jù)不同的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以全耗盡晶圓為基礎(chǔ)的處理器峰值性能最高可增長60%。

　　圖 1 FD-SOI工藝與Bulk CMOS工藝對(duì)比 

　　1.1 成本優(yōu)勢(shì) 

　　美國商業(yè)戰(zhàn)略公司（IBS）主席兼首席執(zhí)行官Handel Jones 在《移動(dòng)系統(tǒng)芯片市場(chǎng)預(yù)測(cè)及技術(shù)需求》演講中分析了FD-SOI工藝晶圓方面的成本比較，畢竟在未來的產(chǎn)業(yè)化中，成本是個(gè)敏感的因素。從他的比較中可以看出，在28nm節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)D-SOI晶圓有一定的優(yōu)勢(shì)，但是到了20nm/14nm，F(xiàn)D-SOI的優(yōu)勢(shì)就很明顯了，F(xiàn)D-SOI晶圓的成本低于Bulk CMOS的，更遠(yuǎn)低于FinFET的晶圓成本。“我認(rèn)為只有高端PC或者服務(wù)所用的高性能處理器能承受FinFET的高成本，從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，智能手機(jī)是重要的推動(dòng)力量，不過智能手機(jī)處理器要承受價(jià)格和功耗的壓力。” Handel Jones表示。“所以對(duì)于中國IC公司來說，F(xiàn)D-SOI是個(gè)不錯(cuò)的技術(shù)，它有成本和功耗上的優(yōu)勢(shì)。”

　　IBS的研究也發(fā)現(xiàn)，基于Bulk CMOS和FinFET工藝技術(shù)的發(fā)展，28nm以下每百萬邏輯門的成本沒有降低，到14nm的時(shí)候，每百萬邏輯門的成本反而升高，顯然這不是一個(gè)合理的發(fā)展方向。

　　意法半導(dǎo)體公司研發(fā)科技部門副總經(jīng)理Hartmann表示：“FD-SOI技術(shù)不僅能得到FinFET全耗盡晶體管帶給平面?zhèn)鹘y(tǒng)技術(shù)的全部好處，而且還能實(shí)現(xiàn)后者無法達(dá)到的先進(jìn)的負(fù)偏壓（back bias）技術(shù)。”

　　1.2 IP移植的便利性 

　　意法半導(dǎo)體依托FD-SOI工藝在28nm節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了主頻高達(dá)3GHz的雙核A9處理器，在手機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，其功耗比主頻1.4GH中的四核A9處理器還低，有力地展示了FD-SOI工藝的優(yōu)勢(shì)。

　　意法半導(dǎo)體CPU與GPU子系統(tǒng)高級(jí)首席工程師David Jacquet分享了基于FD-SOI工藝設(shè)計(jì)主頻3GHz的雙核A9處理器的低功耗設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)分享了FD-SOI的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

　　他指出這種FD-SOI工藝可以將工作電壓降低至大約0.6V，而相比之下Bulk CMOS工藝的最小極限值一般在0.9V左右。使用FDSOI的后向偏置技術(shù)可以提供更寬動(dòng)態(tài)范圍的性能，因此特別適合移動(dòng)和消費(fèi)級(jí)多媒體應(yīng)用。 在IP移植上，他表示從Bulk CMOS移植到FD-SOI難度并不大，而且，意法半導(dǎo)體也有意開發(fā)各類FD-SOI IP給中國IC設(shè)計(jì)公司。

　　1.3 可擴(kuò)展性對(duì)比 

　　考察一種工藝技術(shù)，一定要了解其未來可擴(kuò)展性，IBS的Handel Jones表示，從scaling角度看，至少從14nm到7nm，F(xiàn)D-SOI可以發(fā)展三代工藝技術(shù)。作為SOI技術(shù)的忠實(shí)擁躉，IBM已經(jīng)規(guī)劃了十代SOI技術(shù)。

　　IBM半導(dǎo)體研發(fā)中心項(xiàng)目經(jīng)理Rama Divakaruni指出，實(shí)際上，SOI工藝更易實(shí)現(xiàn)高性能存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

　　以IBM power7處理器為例，基于SOI的嵌入式存儲(chǔ)解決方案不但獲得了容量的提升，更在性能上大幅提升。

　　他表示FET工藝有獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，因此FD-SOI工藝技術(shù)到7nm工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)，SOI也將從2D發(fā)展到3D，即發(fā)展為SOI FinFET工藝。SOI與FinFET可謂殊途同歸！所以兩種工藝并非完全對(duì)立的技術(shù)。

　　1.4 生態(tài)系統(tǒng)建設(shè) 

　　一種工藝技術(shù)離不開生態(tài)系統(tǒng)的支持，實(shí)際上，F(xiàn)D-SOI生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)在逐漸成形，從這次高峰論壇看，圍繞FD-SOI工藝，已經(jīng)形成了工藝研究、晶圓、IP、代工廠、IC設(shè)計(jì)服務(wù)公司、IC設(shè)計(jì)公司的產(chǎn)業(yè)鏈。法國Soitec日本信越(SEH)等號(hào)稱可以提供每月超過10萬片SOI晶圓的產(chǎn)能，除FDSOI已在意法半導(dǎo)體量產(chǎn)外Global Foundries已與意法半導(dǎo)體簽約有意導(dǎo)入FD-SOI工藝。 很多處理器已經(jīng)采用了SOI工藝，例如任天堂" Wii"、索尼計(jì)算機(jī)娛樂"PS3"、美國微軟"Xbox360"等3款最新游戲機(jī)全部配備了采用SOI材料的處理器。 SOI的應(yīng)用也日益廣泛，已經(jīng)應(yīng)用到各類處理器和產(chǎn)品上。IBS的Handel Jones還認(rèn)為SOI在RF領(lǐng)域的應(yīng)用潛力非常大。

　　不過，由于英特爾已經(jīng)在22nm節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了FinFET量產(chǎn)，而FD-SOI還缺乏量產(chǎn)的產(chǎn)品，所以對(duì)于FD-SOI來說，現(xiàn)在最或缺的可能就是一個(gè)成功故事，這個(gè)故事的主角會(huì)是誰？

　　二、中國大陸IC設(shè)計(jì)公司和代工廠可以利用FD-SOI實(shí)現(xiàn)彎道超車嗎？ 

　　目前，中國大陸的IC設(shè)計(jì)公司與以及代工業(yè)務(wù)已經(jīng)有了極大發(fā)展，但是與國際先進(jìn)公司相比還有一定差距，尤其在代工領(lǐng)域，大陸最先進(jìn)的代工企業(yè)中芯國際與TSMC等相比還有5年左右的差距，由于英特爾和TSMC看好FinFET工藝，本土IC設(shè)計(jì)企業(yè)和代工企業(yè)可以利用FD-SOI實(shí)現(xiàn)彎道超車嗎？ 中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)IC設(shè)計(jì)分會(huì)理事長魏少軍在發(fā)言中強(qiáng)調(diào)“工藝是基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)是龍頭，設(shè)計(jì)必須與工藝緊密結(jié)合。”他在發(fā)言中期望中芯國際等代工廠盡早做好抉擇抓住工藝升級(jí)的大好時(shí)機(jī)。 武漢新芯集成電路制造有限公司CEO楊士寧在發(fā)言中也表示中國半導(dǎo)體市場(chǎng)需要高性價(jià)比的技術(shù)，F(xiàn)D-SOI確實(shí)是個(gè)不錯(cuò)的選擇。“我們的客戶都說他們需要一種可以提供高性能低功耗移動(dòng)產(chǎn)品，但是他們也不能保證一定就要使用一種又好又便宜的特殊技術(shù)。”他指出，“對(duì)于FD-SOI仍需要解決生態(tài)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)IP以及成本方面的問題，顯然，IC制造企業(yè)希望能和IC設(shè)計(jì)企業(yè)共同分擔(dān)工藝方面的風(fēng)險(xiǎn)。”

　　“如果我們轉(zhuǎn)向FD-SOI，我們希望中國的IC設(shè)計(jì)企業(yè)可以堅(jiān)定地與我們一道，并努力構(gòu)建好設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)。”他希望。顯然，在FD-SOI投入方面，制造企業(yè)和IC設(shè)計(jì)企業(yè)陷入了“雞生蛋蛋生雞”的怪圈，懼怕工藝投入的風(fēng)險(xiǎn)。 戴偉民博士，芯原股份有限公司董事長兼總裁，本次會(huì)議的聯(lián)席主席主持了圓桌論壇環(huán)節(jié)。中芯國際技術(shù)研發(fā)執(zhí)行副總裁李序武希望中國政府能在其FD-SOI投入上給與一定的支持，畢竟高級(jí)工藝急速的投入資金是非常巨大的。不過正如SOI聯(lián)盟的執(zhí)行董事本次會(huì)議的聯(lián)席主席Handel Jones所言，產(chǎn)業(yè)總會(huì)以創(chuàng)新的思路解決難題。 10月25日，中芯國際稱2億美元可轉(zhuǎn)債項(xiàng)目吸引了120多個(gè)投資者，已完成9倍超額認(rèn)購。中芯國際稱所得款項(xiàng)凈額將用作擴(kuò)大8英寸及12英寸制造設(shè)施產(chǎn)能相關(guān)之資本開支。 一輪彎道超車已經(jīng)開始了嗎？