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Cost/performance are outstanding, FD-SOI forces is rising

与FinFET相比,FD-SOI成本和性能都更为合理,因此也逐渐受到半导体产业青睐…

来源: 邵樂峰,EE Times China, Jan. 25, 2019 – 

法国Soitec半导体从2015年起将公司核心业务定义为「加速为电子产业提供最佳化衬底」。此后的3年内,公司业绩一直处于增长模式,截止2018财政年度末(2018年3月底)累计收入达到3.5亿美元,预计2019财政年度还将取得35%的增幅。

Soitec执行长Paul Boudre在赴深圳参加由ASPENCORE举办的「全球双峰会」前夕,就绝缘体上矽(SOI)技术、生态系统建置、公司发展战略等问题,接受了《电子工程专辑(EE Times)》中国版的独家专访。

领先产品技术助力中国SOI生态系统发展

Soitec产品范围包括数位应用产品如FD-SOI、光电-SOI和成像-SOI(Imager-SOI),以及通讯和功率应用产品,如射频-SOI(RF-SOI)和功率-SOI(Power -SOI)。其中,又以自主研发用于生产最佳化衬底,尤其是SOI晶圆的革命性晶圆键合和剥离技术Smart Cut最为知名,这是一项用来将晶体材料中的超薄单晶矽层从供体衬底转移到其他衬底上的技术,当今大部分SOI晶圆都采用了该项技术。

为了透过设计巩固对半导体供应链从最佳化衬底到积体电路、系统应用的业务涵盖,2018年8月底,Soitec收购Dolphin Integration的大部分股份。 Dolphin Integration是一家专注于开发低功耗晶片的法国公司,透过收购,双方能够为市场带来结合最佳化功率管理和正向体偏压技术的独特解决方案。 Boudre认为,收购Dolphin Integration代表Soitec正在加强IP库构建与相关服务,为基于FD-SOI的晶片设计提供更加节能高效的解决方案。这是FD-SOI与其他SOI晶圆片的主要区别,也是FD-SOI在相关市场领域得以推广的重要因素。

值得一提的是,Soitec很早就支援中国当地SOI生态系统的建设。 2007年,Soitec就与中国代工厂和研发中心开展产业合作;2014年,Soitec和上海新傲科技(Simgui)达成射频和功率半导体市场200mm SOI晶圆的战略伙伴关系,并签署许可和技术转移协议,有助在中国打造当地的SOI生态系统。

然而,尽管FD-SOI号称有诸多优势,但在一些媒体报导中,对于该制程的生产良率、专用晶圆片价格与供应来源稳定性,还有大量生产确切时程、整体技术支援生态系统完整性,产业界仍有诸多疑虑。欧美支持者也只有意法半导体(ST)、恩智浦(NXP)、格芯(Globalfoundries)、Soitec等少数几家大厂和亚洲的三星(Samsung)。但在东方,尤其是中国,情况完全不一样。无论是政府还是产业都给予了极大的支持和关注,并且认为这是一剂能够帮助中国赶上世界先进水准的良方。

Boudre告诉记者,当前,各种类型的SOI产品,包括RF-SOI、FD-SOI、Power-SOI或矽光子(Silicon Photonics),已经被广泛应用于各级各类市场中。很多世界级的晶圆代工厂、无晶圆厂(Fabless)设计公司和系统厂商都已采用SOI技术,以Globalfoundries为例,其22nm FD-SOI(22FDX)技术已获得全球50多家公司的设计采用,中标收入逾20亿美元。另外,三星也积极推广28nm和18nm的FD-SOI产品,也拥有逾50家客户群。在射频前端模组领域,SOI甚至已经成为产业标准。

同样的事情也发生在中国。海思(HiSilicon)、展锐(RDA/Spreadtrum)、瑞芯微(Rockchip)等企业基于SOI技术在4G、5G、人工智慧物联网(AIoT)、先进驾驶辅助系统(ADAS)和资料中心等关键应用中取得了一系列突破性进展;以SMIC和HHGrace为代表的中国的晶圆代工企业也一直在提供基于RF-SOI的产品;Globalfoundries还与成都市政府成立了合资企业,同样以22nm SOI技术作为发展重点。

充分利用产品优势做好晶圆保障

目前,Soitec 300mm SOI产能可以达到每年165万片,200mm晶圆产能超过90万片,中国合作伙伴上海新傲科技200mm SOI(射频与电源)产能超过100万片。与此同时,Soitec三大策略投资者之一—上海矽产业投资有限公司(National Silicon Industry Group,NSIG)在2017年也宣布收购Soitec股权(上海矽产业投资有限公司目前拥有Soitec11.49%的股份)。不过,业界似乎仍然对FD-SOI晶圆矽片的成本和供应有所顾虑。

Boudre认为,这样的担心毫无必要。在他看来,FD-SOI由于具有低功率/低漏电+类似FinFET性能+类比/混合讯号整合的独特优势,再加上单片机和汽车应用偏爱的eMRAM技术,该技术近年来快速部署并非意外的事情。

「FD-SOI和FinFET服务于不同的市场,他们之间其实并不存在竞争。」Boudre进一步解释,对FinFET技术而言,它追求的是绝对高性能,但设计难度和制造成本却在不断攀升中。而FD-SOI更关注那些低功耗、性能灵活(能够从休眠模式到高速运算灵活切换)、整合类比/射频/混合讯号的应用。最好的例子是三星能够为无晶圆厂同时提供这两种类型的解决方案:用于物联网、人工智慧、低功耗运算和5G应用的FD-SOI,以及用于极高性能但高成本的FinFET。

Boudre不否认由于使用了Planar技术,导致FD-SOI的晶圆衬底比矽晶片昂贵一些。但如果从制成品的成本和性能来看,28nm FDSOI比28nm bulk CMOS晶圆(28nm或22nm)可提供多30~50%的性能,22nm FD-SOI又比14nm FinFET成品晶圆成本降低20~ 30%,但由于具备射频、体偏压和整合优势,又能够提供几乎相同的性能。

在晶圆供应方面,Soitec和SEH(日本)所提供的FD-SOI晶圆衬底均属于高成熟度产品,产能和品质完全能够满足当前和未来的产业需求。多家晶圆代工厂也可提供技术和产能支援,包括三星(28nm、18nm)、Globalfoundries(22nm、12nm)、瑞萨电子(Renesas Electronics)(65nm)和意法半导体(28nm),再加上ARM、Synopsis、 Cadence、SILVACO等IP供应商和中国设计服务公司VeriSilicon的加入,FD-SOI的整个生态系统已经完整浮现。

抓住市场机遇 扩大SOI产品市场影响力

摩尔定律(Moore’s Law)发展趋缓,英特尔(Intel)10nm制程受阻,Globalfoundries与联华电子(UMC)纷纷宣布放弃7nm以下先进制程。对此,Boudre认为,FD-SOI其实并不试图在绝对性能方面与FinFET展开竞争。尽管不惜一切代价追求高性能的市场仍然存在,但正在萎缩,FinFET阵营现在也不得不面临成本增加和市场规模缩小的挑战,很多市场和应用已经放弃追寻这条路线。相比之下,FD-SOI成本和性能都更为合理,有分析师认为,未来10~15年FD-SOI的采用量约为400~800万片/年。

由于投资10nm晶片设计的成本接近5亿美元,使得能支付得起如此高昂费用的无晶圆厂IC设计公司越来越少。这也侧面解释了为什么许多代工厂放弃这场竞争的原因,因为随着客户和设计数量的减少,他们没有机会建立起理想的盈利模式。然而,在那些看起来「并不那么先进」的CMOS节点中,却存在许多商业机会,能够帮助这些晶圆厂继续为市场提供服务。

Boudre不认为英特尔及台积电(TSMC)所主张的FinFET技术将为成为未来产业唯一的标准。 「正如之前所述,产业需要多个标准,FinFET会是其中之一,但行动、物联网、人工智慧、ADAS等领域却需要不同的标准和价值,这就是FD-SOI的巨大机会所在,而当前快速增长的采用趋势也证实了FD-SOI同样可以成为标准/主流技术。」他说。

从技术角度来看,RF-SOI是专为射频前端模组设计的先进制程,在4G/LTE,包括即将到来的5G应用中,是众多天线开关、天线调谐器、低杂讯放大器(LNA)和功率放大器的首选技术,并从2012年开始快速取代传统用于射频元件的砷化镓(GaAs)材料。目前,100%智慧型手机的射频前端模组均基于RF-SOI设计制造,甚至已经成为了天线开关、调谐器和低杂讯放大器的产业标准。透过将多个射频元件高度整合在一颗晶片上,RF-SOI满足了4G和5G所需要的射频性能,并显著降低了设备成本和元件尺寸,这对物联网类型的应用也至关重要。

而FD-SOI则是一种为低功率处理而设计的制程,整合了众多类比混合讯号功能,无论设备处于低泄漏/睡眠模式还是处于高性能模式,该技术都能为其带来独特性,自然成为行动和AIoT应用的理想选择。另一方面,由于FD-SOI具备较高的Fmax特性,使其在射频收发器、毫米波(mmWave)汽车雷达等应用中得到了广泛关注。

5G带来新成长机会

5G网路具有两种不同的应用方式:一种是透过sub-6GHz频段,另一种则是利用全新技术毫米波。根据Boudre的介绍,目前,RF-SOI已成为蜂巢电话中前端模组大量元件的实际应用技术,今天RF-SOI市场产量约为150万片,这在10年前是无法想像的。同时,FD-SOI也已经成为毫米波RF-CMOS连接和高能效电池供电设备的首选技术。三星和Globalfoundries都已推出针对5G毫米波应用的FD-SOI产品。

他将5G列为Soitec产品(包括FD-SOI、RF-SOI、Photonics-SOI、POA和其他具有III-V族材料)最大的增长机会之一。如前所述,由于RF-SOI为射频前端模组带来了独特的射频特性,例如射频讯号线性、低插入损耗、较小尺寸、高整合、低成本,目前还没有其他技术能够提供类似的价值。因此,FD-SOI平台可以针对5G需要提供无与伦比的整合度,还可以为窄频物联网(NB-IoT)带来优越的低功耗性能,这些都是FinFET制程无法比拟的优势。

不过,不同的通讯设备如汽车、智慧型手机和其他设备,它们的射频前端需要差异化的技术,如何提供合适的成本和性能权衡,从而促进其引入和采用,一直是业界思考的问题。在Soitec提供的解决方案中,一类是采用高电阻率基础衬底的HR-SOI技术,一类是射频增强讯号完整性TM(RFeSI)SOI,它在高电阻率基础上增加了富陷阱层,有助于满足严格的线性要求。

这两类技术都与标准CMOS制程和代工厂相容,两种衬底系列有直径200mm和300mm,在线性度、插入损耗、隔离、杂讯系数和其他关键规格方面具有不同的优势,因此,它们可用于设计和制造射频前端的不同模组和功能。

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