文︱王树一

图︱网络

2000年前后，胡正明教授公布FinFET（鳍式晶体管）与FD-SOI（全耗尽型绝缘体上硅，Fully Depleted Silicon On Insulator）技术，为25纳米及以下半导体工艺发展指明方向。台积电和英特尔都选择了FinFET工艺，这使其成为逻辑工艺的主流方向；在FD-SOI方向，意法半导体最早于2012年量产，2015年三星电子开始提供28纳米FD-SOI代工服务，而格芯（Globalfoundries）则跳过了28纳米，直接提供22纳米FD-SOI代工服务。

格芯22纳米FD-SOI工艺被命名为“22FDX”，从2018年开始提供代工服务，当年有14个项目流片，2019年将有26个项目流片，根据量产进度，格芯预计2019年底可以出货1亿颗FD-SOI芯片。“到2019年底，我们将出货一亿颗FD-SOI芯片！” 在由芯原微电子主办的第七届上海FD-SOI论坛上，格芯中国区总裁、全球高级副总裁Americo Lemos，一字一顿地把这句话重复了两遍。

格芯预计2019年出货1亿颗FD-SOI芯片

在晶圆制造领域，论FD-SOI生态的丰富性，现在还当属三星，28纳米FD-SOI工艺量产经验已经有3年以上，客户投片项目中涵盖消费电子、物联网/可穿戴、网络/边缘计算设备、汽车电子/工业应用等多个领域，并在开发下一代18纳米FD-SOI工艺，虽然三星未披露相关数据，但依据其量产项目推测，应该早已经过出货超过一亿颗。相对而言，意法半导体对代工业务兴趣不大，而格芯的22FDX在2018年才开始投产。但在笔者看来，FD-SOI生态能否真正繁荣，将与格芯今后三五年的规划息息相关。

这是因为，FD-SOI只是三星多样化布局中的一个分支，在代工领域的竞争，三星仍将以FinFET为主要投入方向，FD-SOI是FinFET的补充。格芯则不一样，在放弃7纳米及以后先进工艺研发之后，只有FD-SOI才是其在逻辑工艺上与台积电实现差异化的关键。FD-SOI这条路线即使走不下去，也不影响三星在代工市场的地位，但格芯如果不能在FD-SOI或其他差异化逻辑工艺上取得成功，前三位置估计就很难保住了。

所以，FD-SOI芯片出货量将过亿对格芯意义重大。当然，对一款芯片产品而言，出货量过亿或许代表着不错的成绩，但对一种工艺而言，出货量过亿不过是刚刚开始，FD-SOI工艺要成为30纳米以下逻辑工艺的重要分支，还需要做到哪些呢？

低功耗之外的特性要被用户真正应用起来

相比传统体硅工艺，FD-SOI的主要特色之一是低功耗。由于阈值电压低，所以体硅工艺改用FD-SOI工艺可以大幅降低供电电压，从而降低功耗。

目前为止最成功的FD-SOI芯片产品系列，当属索尼的CXD56系列，索尼半导体总经理Kenichi Nakano介绍，通过将工艺更改为28纳米FD-SOI，并进一步优化电路设计，CXD5605GF的功耗由上一代的30毫瓦，下降到6毫瓦（每秒更新位置信息情况下的数据）。索尼表示，这是全球最低功耗的卫星导航定位芯片（GNSS），而下一代CXD56035GF还将在CXD5605GF的基础上降低20%功耗。采用FDX22工艺的瑞芯微RK1808功耗也比上一代降低了30%，恩智浦和意法半导体等公司相应产品也都提到了FD-SOI在功耗方面的杰出表现。

FD-SOI工艺的低功耗特性已经被众多行业用户认可，但除了低功耗之外，FD-SOI还有一系列极具潜力的特点有待发掘，比如体偏置（Body-bias）带来的性能与功耗的更好平衡，比如超低软件错误率（soft error rate）带来的系统健壮性，以及在射频集成上的便利性。在这些特性挖掘上，部分厂商走在了前面。

在射频方面，三星电子高级副总裁Gitae Jeong在会上宣布，三星28纳米FD-SOI工艺已经有第一款5G毫米波产品，该工艺有着非常出色的隔离效果，目前支持增益截止频率（ft）至110GHz，最大谐振频率（fmax）则大于400GHz。

三星已经生产出28FDS工艺的毫米波产品

在软件错误率上，意法半导体提供的数据显示，相比体硅工艺，28纳米FD-SOI有数量级的提升。FD-SOI工艺不存在闩锁（Latch-up）效应，而应对alpha粒子辐射软件错误率仅为体硅工艺的千分之一，应对中子辐射软件错误率为体硅工艺的百分之一，非常适合航空航天等抗辐射应用。

FD-SOI工艺提供优异的软件可靠性

论坛主持人，芯原微电子创始人、董事长兼总裁戴伟民指出，体偏置是FD-SOI的特殊优势。恩智浦基于FD-SOI工艺的i.MX系列处理器，在不同的电源域，利用不同的体偏置方法来提升芯片的能效比。

体偏置示意图

除了上述特性，这次论坛上另一个热点是嵌入式存储。三星在2019年3月宣布推出基于28纳米FD-SOI的量产版eMRAM（嵌入式磁随机存储器，embedded Magnetic Random Access Memory），并有容量达1Gb的eMRAM展示方案，而且已经将eMRAM技术应用于FinFET平台。

三星量产28FDS的eMRAM

格芯也宣布推出支持22FDX的eMRAM技术。意法半导体则力推ePCM（嵌入式相变存储器，embedded Phase Change Memory），意法半导体Stellar系列微控制器是其第一代基于FD-SOI工艺的车载MCU，ePCM读写速度很快，读取周期小于12纳秒，代码写入速度可达0.8MB每秒，温度特性也很好，能适应165℃工作环境，回流焊（260℃作业2分钟）操作并不影响存储数据，因此非常适合汽车等严苛应用场景。

随着终端应用复杂度提升，处理数据量也不断提高，对嵌入式微处理器与微控制器的存储性能提出更高要求，不论是eMRAM，还是ePCM，都是极有潜力的新型存储技术，如能在市场应用中得到证明，将有力促进FD-SOI工艺的发展。

要切入主流应用

FD-SOI生态还没有进入良性运行阶段的主要原因是规模偏小。规模小，成本就难以达到最优，虽然相同节点FD-SOI流片费用低，但从综合成本来看，FD-SOI并不占优势。当前量产的FD-SOI产品中，除了索尼的GNSS芯片量比较大，还没有其他有足够量的明星产品。意法半导体的Stellar系列处理器性能不错，车载MCU市场总量也不小，但分到单一系列产品的市场份额则不多，毕竟全球汽车销量也就是八九千万辆，不同厂商之间区别很大，不太容易出现一款芯片包打天下的情况。恩智浦的i.MX系列芯片与之类似。

在现场的投票环节，专业观众对FD-SOI应用领域最看好的依次是可穿戴、5G和低功耗广域网（LPWAN）。IBS首席执行官Handel Jones看好802.11ay（60GHz）/802.11aj（45GHz）芯片将是FD-SOI下一个能真正起量的产品，戴伟民则指出，图像传感器（CIS）市场规模巨大，IBS预测2027年出货量达到221亿颗，如果能够介入到CIS领域，FD-SOI生态圈将有质的改变。

开发物联网（或智能物联网AIOT）芯片，是否选择28纳米及以下的逻辑工艺是经常困扰厂商的一个问题。瑞芯微电子高级副总裁陈锋就表示，物联网芯片高度碎片化，一个应用领域对主控芯片的年需求量在5百万到1千万左右，单颗芯片价格也就2到3美元，“像智能音箱这种市场，全球总共也就几千万（一年出货量），还有几十家公司在这个市场争夺”。陈锋认为，这种出货量级别的芯片，采用最先进的7纳米工艺肯定不现实。

即便用28纳米或22纳米工艺来实现物联网主控芯片，都需要对成本严格控制，出于成本与性能的综合考虑，目前主流物联网终端主控芯片仍然采用55纳米和40纳米工艺。放大物联网芯片出货量的方法之一，是更加通用地去定义芯片功能。但芯片越通用，就意味着在具体应用中芯片上的冗余资源越多，成本越不占优势，但物联网终端大多对成本要求都很高，所以能否在成本与通用性上取得平衡，将成为高阶工艺制程物联网芯片产品定义的关键。

如前所述，新型嵌入式存储技术的引入，或将吸引主流物联网终端主控芯片厂商选择28纳米及以下FD-SOI工艺，来开发下一代产品。基于FD-SOI工艺的处理器芯片，如能从汽车电子跨入更广泛的应用市场，将能真正带动FD-SOI芯片起量。

要针对中国用户需求做生态优化

从格芯提供的数据来看，其FD-SOI工艺已流片客户，超过半数来自中国。瑞芯微电子陈锋也认为，需要丰富多样的市场环境，才能撑起FD-SOI产业，中国市场生态的多样性首屈一指，是发展FD-SOI工艺的不二之选，而且不像FinFET，FD-SOI工艺没有代差限制，中国完全可以和世界同步发展。

不过，FD-SOI在中国的生态还不够完整。在设计、晶圆材料和IP上，中国本土公司都有不错的表现，至少数十家设计公司开始了基于FD-SOI工艺的开发，新傲科技能提供SOI晶圆（当前能生产200mmRF-SOI晶圆），IP则有芯原微电子等提供。但制造资源上，目前设计公司还是只能选择国外生产基地合作，虽然半导体轻薄短小，理论上不受地理位置的限制。但从产业发展历史来看，地理位置的接近，更容易造就繁荣的生态环境，例如台湾的新竹园区与上海的张江园区。

所以，更换首席执行官之后停摆的格芯成都FD-SOI制造项目，就显得越发微妙。格芯需要权衡，究竟是借助原德国工厂的基建设施及人力资源来降低投入，还是靠近客户为今后十年的生态打下更坚实的基础。毕竟，如某行业知名人士所言，不是中国离不开FD-SOI产业，而是FD-SOI产业离不开中国。