“到2019年底，我們將出貨一億顆FD-SOI芯片！” 在由芯原微電子主辦的第七屆上海FD-SOI論壇上，格芯中國(guó)區(qū)總裁、全球高級(jí)副總裁Americo Lemos，一字一頓地把這句話重復(fù)了兩遍。

2000年前后，胡正明教授公布FinFET（鰭式晶體管）與FD-SOI（全耗盡型絕緣體上硅，F(xiàn)ully Depleted Silicon On Insulator）技術(shù)，為25納米及以下半導(dǎo)體工藝發(fā)展指明方向。臺(tái)積電和英特爾都選擇了FinFET工藝，這使其成為邏輯工藝的主流方向；在FD-SOI方向，意法半導(dǎo)體最早于2012年量產(chǎn)，2015年三星電子開始提供28納米FD-SOI代工服務(wù)，而格芯（Globalfoundries）則跳過了28納米，直接提供22納米FD-SOI代工服務(wù)。

格芯22納米FD-SOI工藝被命名為“22FDX”，從2018年開始提供代工服務(wù)，當(dāng)年有14個(gè)項(xiàng)目流片，2019年將有26個(gè)項(xiàng)目流片，根據(jù)量產(chǎn)進(jìn)度，格芯預(yù)計(jì)2019年底可以出貨1億顆FD-SOI芯片?！暗?019年底，我們將出貨一億顆FD-SOI芯片！” 在由芯原微電子主辦的第七屆上海FD-SOI論壇上，格芯中國(guó)區(qū)總裁、全球高級(jí)副總裁Americo Lemos，一字一頓地把這句話重復(fù)了兩遍。

格芯預(yù)計(jì)2019年出貨1億顆FD-SOI芯片

在晶圓制造領(lǐng)域，論FD-SOI生態(tài)的豐富性，現(xiàn)在還當(dāng)屬三星，28納米FD-SOI工藝量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)有3年以上，客戶投片項(xiàng)目中涵蓋消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)/可穿戴、網(wǎng)絡(luò)/邊緣計(jì)算設(shè)備、汽車電子/工業(yè)應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域，并在開發(fā)下一代18納米FD-SOI工藝，雖然三星未披露相關(guān)數(shù)據(jù)，但依據(jù)其量產(chǎn)項(xiàng)目推測(cè)，應(yīng)該早已經(jīng)過出貨超過一億顆。相對(duì)而言，意法半導(dǎo)體對(duì)代工業(yè)務(wù)興趣不大，而格芯的22FDX在2018年才開始投產(chǎn)。但在筆者看來，F(xiàn)D-SOI生態(tài)能否真正繁榮，將與格芯今后三五年的規(guī)劃息息相關(guān)。

這是因?yàn)?，F(xiàn)D-SOI只是三星多樣化布局中的一個(gè)分支，在代工領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，三星仍將以FinFET為主要投入方向，F(xiàn)D-SOI是FinFET的補(bǔ)充。格芯則不一樣，在放棄7納米及以后先進(jìn)工藝研發(fā)之后，只有FD-SOI才是其在邏輯工藝上與臺(tái)積電實(shí)現(xiàn)差異化的關(guān)鍵。FD-SOI這條路線即使走不下去，也不影響三星在代工市場(chǎng)的地位，但格芯如果不能在FD-SOI或其他差異化邏輯工藝上取得成功，前三位置估計(jì)就很難保住了。

所以，F(xiàn)D-SOI芯片出貨量將過億對(duì)格芯意義重大。當(dāng)然，對(duì)一款芯片產(chǎn)品而言，出貨量過億或許代表著不錯(cuò)的成績(jī)，但對(duì)一種工藝而言，出貨量過億不過是剛剛開始，F(xiàn)D-SOI工藝要成為30納米以下邏輯工藝的重要分支，還需要做到哪些呢？

低功耗之外的特性要被用戶真正應(yīng)用起來

相比傳統(tǒng)體硅工藝，F(xiàn)D-SOI的主要特色之一是低功耗。由于閾值電壓低，所以體硅工藝改用FD-SOI工藝可以大幅降低供電電壓，從而降低功耗。

目前為止最成功的FD-SOI芯片產(chǎn)品系列，當(dāng)屬索尼的CXD56系列，索尼半導(dǎo)體總經(jīng)理Kenichi Nakano介紹，通過將工藝更改為28納米FD-SOI，并進(jìn)一步優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，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況下的數(shù)據(jù)）。索尼表示，這是全球最低功耗的衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片（GNSS），而下一代CXD56035GF還將在CXD5605GF的基礎(chǔ)上降低20%功耗。采用FDX22工藝的瑞芯微RK1808功耗也比上一代降低了30%，恩智浦和意法半導(dǎo)體等公司相應(yīng)產(chǎn)品也都提到了FD-SOI在功耗方面的杰出表現(xiàn)。

FD-SOI工藝的低功耗特性已經(jīng)被眾多行業(yè)用戶認(rèn)可，但除了低功耗之外，F(xiàn)D-SOI還有一系列極具潛力的特點(diǎn)有待發(fā)掘，比如體偏置（Body-bias）帶來的性能與功耗的更好平衡，比如超低軟件錯(cuò)誤率（soft error rate）帶來的系統(tǒng)健壯性，以及在射頻集成上的便利性。在這些特性挖掘上，部分廠商走在了前面。

在射頻方面，三星電子高級(jí)副總裁Gitae Jeong在會(huì)上宣布，三星28納米FD-SOI工藝已經(jīng)有第一款5G毫米波產(chǎn)品，該工藝有著非常出色的隔離效果，目前支持增益截止頻率（ft）至110GHz，最大諧振頻率（fmax）則大于400GHz。

三星已經(jīng)生產(chǎn)出28FDS工藝的毫米波產(chǎn)品

在軟件錯(cuò)誤率上，意法半導(dǎo)體提供的數(shù)據(jù)顯示，相比體硅工藝，28納米FD-SOI有數(shù)量級(jí)的提升。FD-SOI工藝不存在閂鎖（Latch-up）效應(yīng)，而應(yīng)對(duì)alpha粒子輻射軟件錯(cuò)誤率僅為體硅工藝的千分之一，應(yīng)對(duì)中子輻射軟件錯(cuò)誤率為體硅工藝的百分之一，非常適合航空航天等抗輻射應(yīng)用。

FD-SOI工藝提供優(yōu)異的軟件可靠性

論壇主持人，芯原微電子創(chuàng)始人、董事長(zhǎng)兼總裁戴偉民指出，體偏置是FD-SOI的特殊優(yōu)勢(shì)。恩智浦基于FD-SOI工藝的i.MX系列處理器，在不同的電源域，利用不同的體偏置方法來提升芯片的能效比。

體偏置示意圖

除了上述特性，這次論壇上另一個(gè)熱點(diǎn)是嵌入式存儲(chǔ)。三星在2019年3月宣布推出基于28納米FD-SOI的量產(chǎn)版eMRAM（嵌入式磁隨機(jī)存儲(chǔ)器，embedded Magnetic Random Access Memory），并有容量達(dá)1Gb的eMRAM展示方案，而且已經(jīng)將eMRAM技術(shù)應(yīng)用于FinFET平臺(tái)。

三星量產(chǎn)28FDS的eMRAM

格芯也宣布推出支持22FDX的eMRAM技術(shù)。意法半導(dǎo)體則力推ePCM（嵌入式相變存儲(chǔ)器，embedded Phase Change Memory），意法半導(dǎo)體Stellar系列微控制器是其第一代基于FD-SOI工藝的車載MCU，ePCM讀寫速度很快，讀取周期小于12納秒，代碼寫入速度可達(dá)0.8MB每秒，溫度特性也很好，能適應(yīng)165℃工作環(huán)境，回流焊（260℃作業(yè)2分鐘）操作并不影響存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因此非常適合汽車等嚴(yán)苛應(yīng)用場(chǎng)景。

隨著終端應(yīng)用復(fù)雜度提升，處理數(shù)據(jù)量也不斷提高，對(duì)嵌入式微處理器與微控制器的存儲(chǔ)性能提出更高要求，不論是eMRAM，還是ePCM，都是極有潛力的新型存儲(chǔ)技術(shù)，如能在市場(chǎng)應(yīng)用中得到證明，將有力促進(jìn)FD-SOI工藝的發(fā)展。

要切入主流應(yīng)用

FD-SOI生態(tài)還沒有進(jìn)入良性運(yùn)行階段的主要原因是規(guī)模偏小。規(guī)模小，成本就難以達(dá)到最優(yōu)，雖然相同節(jié)點(diǎn)FD-SOI流片費(fèi)用低，但從綜合成本來看，F(xiàn)D-SOI并不占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前量產(chǎn)的FD-SOI產(chǎn)品中，除了索尼的GNSS芯片量比較大，還沒有其他有足夠量的明星產(chǎn)品。意法半導(dǎo)體的Stellar系列處理器性能不錯(cuò)，車載MCU市場(chǎng)總量也不小，但分到單一系列產(chǎn)品的市場(chǎng)份額則不多，畢竟全球汽車銷量也就是八九千萬(wàn)輛，不同廠商之間區(qū)別很大，不太容易出現(xiàn)一款芯片包打天下的情況。恩智浦的i.MX系列芯片與之類似。

在現(xiàn)場(chǎng)的投票環(huán)節(jié)，專業(yè)觀眾對(duì)FD-SOI應(yīng)用領(lǐng)域最看好的依次是可穿戴、5G和低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。IBS首席執(zhí)行官Handel Jones看好802.11ay（60GHz）/802.11aj（45GHz）芯片將是FD-SOI下一個(gè)能真正起量的產(chǎn)品，戴偉民則指出，圖像傳感器（CIS）市場(chǎng)規(guī)模巨大，IBS預(yù)測(cè)2027年出貨量達(dá)到221億顆，如果能夠介入到CIS領(lǐng)域，F(xiàn)D-SOI生態(tài)圈將有質(zhì)的改變。

開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)（或智能物聯(lián)網(wǎng)AIOT）芯片，是否選擇28納米及以下的邏輯工藝是經(jīng)常困擾廠商的一個(gè)問題。瑞芯微電子高級(jí)副總裁陳鋒就表示，物聯(lián)網(wǎng)芯片高度碎片化，一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χ骺匦酒哪晷枨罅吭?百萬(wàn)到1千萬(wàn)左右，單顆芯片價(jià)格也就2到3美元，“像智能音箱這種市場(chǎng)，全球總共也就幾千萬(wàn)（一年出貨量），還有幾十家公司在這個(gè)市場(chǎng)爭(zhēng)奪”。陳鋒認(rèn)為，這種出貨量級(jí)別的芯片，采用最先進(jìn)的7納米工藝肯定不現(xiàn)實(shí)。

即便用28納米或22納米工藝來實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)主控芯片，都需要對(duì)成本嚴(yán)格控制，出于成本與性能的綜合考慮，目前主流物聯(lián)網(wǎng)終端主控芯片仍然采用55納米和40納米工藝。放大物聯(lián)網(wǎng)芯片出貨量的方法之一，是更加通用地去定義芯片功能。但芯片越通用，就意味著在具體應(yīng)用中芯片上的冗余資源越多，成本越不占優(yōu)勢(shì)，但物聯(lián)網(wǎng)終端大多對(duì)成本要求都很高，所以能否在成本與通用性上取得平衡，將成為高階工藝制程物聯(lián)網(wǎng)芯片產(chǎn)品定義的關(guān)鍵。

如前所述，新型嵌入式存儲(chǔ)技術(shù)的引入，或?qū)⑽髁魑锫?lián)網(wǎng)終端主控芯片廠商選擇28納米及以下FD-SOI工藝，來開發(fā)下一代產(chǎn)品?；贔D-SOI工藝的處理器芯片，如能從汽車電子跨入更廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，將能真正帶動(dòng)FD-SOI芯片起量。

要針對(duì)中國(guó)用戶需求做生態(tài)優(yōu)化

從格芯提供的數(shù)據(jù)來看，其FD-SOI工藝已流片客戶，超過半數(shù)來自中國(guó)。瑞芯微電子陳鋒也認(rèn)為，需要豐富多樣的市場(chǎng)環(huán)境，才能撐起FD-SOI產(chǎn)業(yè)，中國(guó)市場(chǎng)生態(tài)的多樣性首屈一指，是發(fā)展FD-SOI工藝的不二之選，而且不像FinFET，F(xiàn)D-SOI工藝沒有代差限制，中國(guó)完全可以和世界同步發(fā)展。

不過，F(xiàn)D-SOI在中國(guó)的生態(tài)還不夠完整。在設(shè)計(jì)、晶圓材料和IP上，中國(guó)本土公司都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，至少數(shù)十家設(shè)計(jì)公司開始了基于FD-SOI工藝的開發(fā)，新傲科技能提供SOI晶圓（當(dāng)前能生產(chǎn)200mmRF-SOI晶圓），IP則有芯原微電子等提供。但制造資源上，目前設(shè)計(jì)公司還是只能選擇國(guó)外生產(chǎn)基地合作，雖然半導(dǎo)體輕薄短小，理論上不受地理位置的限制。但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史來看，地理位置的接近，更容易造就繁榮的生態(tài)環(huán)境，例如臺(tái)灣的新竹園區(qū)與上海的張江園區(qū)。

所以，更換首席執(zhí)行官之后停擺的格芯成都FD-SOI制造項(xiàng)目，就顯得越發(fā)微妙。格芯需要權(quán)衡，究竟是借助原德國(guó)工廠的基建設(shè)施及人力資源來降低投入，還是靠近客戶為今后十年的生態(tài)打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。畢竟，如某行業(yè)知名人士所言，不是中國(guó)離不開FD-SOI產(chǎn)業(yè)，而是FD-SOI產(chǎn)業(yè)離不開中國(guó)。