SOI工艺现状和路线图分析,为实现未来智能系统

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格芯近日在其年度全球技术大会上宣布计划在其14/12nm FinFET产品中引入全套新技术,这是公司加强差异化投资的全新侧重点之一。新工艺技术旨在为快速增长市场(如超大规模数据中心和自动驾驶汽车)应用提供更好的可扩展性和性能。

11月14日消息,格芯和indie Semiconductor今日宣布推出新一代定制微控制器,它采用配备嵌入式非易失性存储器(SuperFlash)的格芯55nm低功率扩展(55LPx)工艺平台,并且符合汽车标准。indie Semiconductor全新的Nigel产品基于ARM Cortex-M4微控制器内核,支持物联网、医疗和汽车市场的先进功能。indie Semi采用格芯55LPx工艺生产的产品已向汽车客户批量供货。

FD-SOI正获得越来越多的市场关注。在5月份的晶圆代工论坛上,三星宣布他们有17种FD-SOI产品进入大批量产阶段。7月,在美国西部半导体展上,格芯宣布了超过20亿美元的FD-SOI设计收入,其2017年记录收入10亿美元,2018年上半年记录收入10亿美元。随着FD-SOI的兴起,我认为有必要回顾一下市场上的玩家以及他们目前和计划的工艺。

6月28日,格芯宣布,Socionext Inc.将要制造第3代,也是最新一代的图形显示控制器SC1701,它采用了配备嵌入式非易失性存储器(SuperFlash®)的格芯55nm低功率扩展(55LPx)工艺技术。这种55LPx平台支持Socionext SC1701系列的多项新功能,包括先进车内显示系统的增强型诊断和安全保护功能、循环冗余代码(CRC)校验、画面冻结检测,以及多窗口签名单元。Socionext将从7月底开始发售SC1701。

在当今数据密集的世界,对高性能芯片的需求永无止境,以处理和分析互连设备产生的信息流。格芯的FinFET产品是为最严苛的计算应用提供高性能、高功效的片上系统设计的理想平台。

indie的定制微控制器将集成于单个器件中,可提供检测、处理、控制和通信等混合信号功能。格芯55LPx平台采用SST的SuperFlash存储器技术,使indie的Nigel M4控制器能够利用高密度存储器和高性能处理能力,并结合混合信号功能,从而实现55nm工艺的高度集成汽车解决方案。

FD-SOI生态系统

近些年,车内电子系统的数量呈指数上升,人们对多个内容丰富的显示器的要求也不断提高。Socionext的SC1701控制器将多种系统组件功能与APIX®3技术和汽车安全功能相集成,以满足对高速视频和数据连接不断提高的需求,以及严格的安全要求。该器件在30bpp时支持高达单路UHD (4K)或两路FHD (2K)的显示器分辨率,并且,利用VESA®显示流压缩(DSC)方法,可以通过单个链路,接收两个单独的视频流。此外,SC1701通过内置的HDCP解密技术提供视频内容保护,以实现更丰富的用户体验。

通过提供针对超高性能和增强型射频连接进行了优化的晶体管改进以及采用针对新兴企业和云安全需求的新型高速、高密度存储器,新平台将改善功耗、性能和可扩展性等性能。

indie Semiconductor销售与营销执行副总裁Paul Hollingworth表示:「indie的Nigel控制器旨在支持汽车系统架构的高性能计算。随着汽车系统的需求越来越复杂,客户要求解决方案能够执行复杂的处理,同时将多个功能集成于单芯片中,以最大限度地缩减尺寸和重量。我们选择格芯符合汽车标准的55LPx平台是因为其具有密度、性能和成本综合优势。」

CEA Leti是负责FD-SOI开发的关键研究小组,在28纳米和14纳米工艺上与ST Micro合作,在22纳米和12纳米工艺上与格芯合作。

Socionext的高级副总裁兼物联网和图形解决方案业务部门总监山下光一表示:“SC1701显示控制器专用于在车内支持高性能计算,采用了汽车系统架构领域颇具创新性的一项发展成果。格芯的55LPx平台通过1级车规标准认证,采用低功率逻辑和高度可靠的嵌入式非易失性存储器,非常适合我们的产品。”

格芯业务部高级副总裁Bami Bastani博士表示:“我们致力于增强发展差异化产品,帮助客户从每一代技术投资中获得更多价值。通过在FinFET产品中引入这些新特性,我们将提供强大的技术改进,使客户能够为下一代智能系统扩展性能并创造创新产品。”

格芯主流产品管理部门副总裁Rajesh Nair表示:「indie Semiconductor是先进SoC技术领域的领军企业,能够与之合作,格芯感到非常荣幸。indie Semiconductor加入了格芯快速发展的55LPx平台客户群,这一平台为消费类、工业和1级汽车标准应用提供了出色的低功率逻辑、嵌入式非易失性存储器、广泛的IP以及出色的可靠性等综合优势。」

FD-SOI要求设计衬底在掩埋绝缘层的单晶硅层非常薄,以确保沟道区完全耗尽。FD-SOI衬底的主要供应商是Soitec,SEH是第二大来源。

格芯的55LPx平台采用SST的SuperFlash®存储器技术,提供了一种快速开发产品的解决方案,且完全符合消费者、工业和1级汽车级标准应用的要求。在55LPx上采用SuperFlash®之后,可以实现小位单元尺寸、更快的读取速度,以及更出色的数据保留性能和耐久性。

格芯的14/12nm FinFET平台提供先进的性能和低功耗,具有显著的成本优势。平台添加了丰富的增强功能包括:

55Lpx RF平台提供了一种快速开发产品的解决方案,包括通过硅认证的RF IP和硅存储技术(SST)高度可靠的嵌入式SuperFlash存储器。格芯位于新加坡的300mm生产线批量生产该平台。除Nigel以外,indie Semiconductor目前正在开发采用该技术的更多产品,其中许多产品将面向汽车应用。

生产FD-SOI工艺的公司有ST Micro,三星代工厂,以及格芯代工厂。

格芯嵌入式存储器部门副总裁Dave Eggleston表示:“Socionext是先进SoC技术领域的领先合作,能够与之合作,格芯感到非常荣幸。Socionext加入了格芯快速发展的55LPx平台客户群,这一平台为工业和1级汽车标准片上系统市场提供了出色的低功率逻辑、嵌入式非易失性存储器、广泛的IP以及出色的可靠性等综合优势。”

·超高密度:通过持续改进12LP设计库,并结合SRAM和先进的模拟技术,在更小的芯片区域内提供更高的晶体管密度,以支持客户的内核计算、连接和存储应用,以及移动和消费电子终端。

文章来源: GLOBALFOUNDRIES

ST Micro

目前,格芯正在位于新加坡的300mm生产线批量生产支持55LPx的平台。除了SC1701之外,Socionext目前正依靠该技术开发多项产品,同时还有安森美半导体、Silicon Mobility和复旦微电子,目前也采用格芯55LPx平台来优化其面向可穿戴物联网和汽车产品的芯片设计。

·性能提升:通过将SRAM Vmin降低100mV、待机漏电流降低约50%以提高性能,从而为现有应用和新兴应用(如机器学习和人工智能)提升性能。

ST Micro于2012年推出了28纳米FD-SOI,生产自他们的Crolles II–300mm晶圆厂。与ST Micro的28纳米体工艺相比,28纳米FD-SOI工艺的性能提高了32 % - 84 %。ST Micro也与CEA Leti一同开发了一种14纳米工艺,但是还没有投入生产。据报道,ST Micro已经开始与格芯合作开发格芯的22FDX FD-SOI工艺,因此长远来看ST Micro可能不会继续生产他们自己的FD-SOI,而是可能会转向这种技术的无晶圆厂模式。Crolles II是一个产能相对较低的300mm晶圆厂,而ST Micro在晶圆厂生产其他产品,因此FD-SOI的产量可能不大。

文章来源:中国电子报

·射频/模拟:提供全套无源器件、超厚金属和LDMOS选项,可面向含有较高数字内容的6GHz以下的RF SoC实现先进的射频性能(Ft/Fmax可达340GHz)。

三星

·嵌入式存储器:为新兴企业、云和通信应用提供超高安全性以及一次性可编程和多次可编程的嵌入式非易失性内存。使用物理上无法检测的电荷捕获技术实现安全解决方案,包括“物理上不可克隆的器件”功能和高效的非易失性存储器,以实现更高的SoC集成度。格芯的CTT解决方案无需额外的处理或屏蔽步骤,与基于介电熔丝技术的类似OTP解决方案相比,可提供双倍密度。

三星获得了ST Micro的28纳米FD-SOI工艺许可,并利用它创建了三星的28纳米FDS工艺。28 FDS于2015年投入生产,目前正在大批量生产17种产品。三星正在开发一项第二代18纳米工艺,将于明年完成。

与28nm技术相比,格芯的14LPP技术可将器件性能提高55%,总功耗降低60%;而与当今市场上的16/14nm FinFET解决方案相比,格芯的12LP技术可将电路密度提高15%,性能提升10%以上。格芯前沿的FinFET平台自2016年初起已投入大规模生产,并符合汽车2级标准。

28FDS为射频应用、嵌入式MRAM非易失性存储器提供达400 GHz以上的最大频率,并可应用于汽车。28FDS有一个1.0伏的Vdd。

28FDS计划于2019年推出,其特点是后端采用三星的成熟14纳米FinFET技术,面积比28FDS减少了35 %。相比28FDS,18FDS还提升了22 %的性能并降低了37 %的功耗。18FDS的Vdd为0.8伏。

三星的晶圆产能巨大,可以根据需要极大提升FD-SOI的产量。

格芯

格芯的22FDX工艺于2017年投入生产,提供400 GHz fmax、嵌入式MRAM非易失性存储器,并可应用于汽车。对于低功耗应用,22FDX可以在低至0.4伏的电压下工作。有四种版本可供选择:低功耗、高性能、低泄漏或射频与模拟。22FDX的前端基于ST Micro 14纳米工艺,后端优化了成本,有两个双层曝光层,其余层为单层曝光。

第二代12FDX工艺原本应在2019年推出,但格芯推迟了该工艺的推出,因为客户现在才设计和升级22FDX产品。12FDX的开发进展顺利,将根据需要推出,我们估计推出时间将在2020年左右。12FDX将能够在0.4伏的电压下工作并且性能较22FDX提高20%。

格芯正在其德累斯顿晶圆厂生产22FDX,且产能相当大。在中国成长起来的晶圆厂也将成为未来FD-SOI的产能来源。

对比

图2比较了格芯、三星和ST Micro的工艺密度指标。就目前的FD-SOI产品而言,格芯的22FDX毫无疑问在密度方面领先,同时也提供了最低的工作电压。三星计划的18FDS工艺可能比格芯目前的FDX22工艺稍密,但格芯计划的12FDX工艺将再次确立格芯在FD-SOI密度方面的领导地位。

我本人很难理解的一件事是,为什么三星没有在工作电压上下功夫。功耗与工作电压平方成正比,而FD-SOI针对的是许多低功耗应用。格芯的0.4伏Vdd在低功耗工作中具有明显的领先优势。

讨论

FD-SOI正被定位为物联网、汽车和移动应用中FinFET的低成本替代品。就互连层的密度和数量而言,特定的FD-SOI工艺选择使其比密度更大的FinFET工艺更为便宜。FinFET工艺通常也不太适合模拟和射频应用。我们认为,在节点和数量相同的金属层,FinFET工艺和FD-SOI工艺在成本上接近,但是FD-SOI工艺的定位不同,例如,格芯提供8个金属层的22FDX,作为11个或以上金属层的14 纳米FinFET工艺的低成本替代品。相比14纳米FinFET,22FDX掩模数量更低且每晶片成本更低,14纳米FinFET工艺密度更大,更适合大规模高性能设计,但22FDX成本更低,数字性能几乎同样优秀且在更低功率下模拟和射频性能更好。

FD-SOI还提供独特的反馈偏压功能,以设置阈值电压并调整性能和功耗。访问反馈偏压的背栅只需要1 %的面积损失,同时提供了其他工艺无法提供的独特和有用性能。

FD-SOI的设计成本低于FinFET,28FDS和22FDX的设计成本与28纳米体积接近,而14纳米FinFET工艺的设计成本大约是28纳米体积设计成本的两倍。预计7纳米FinFET的设计成本甚至高于14纳米的设计成本。

结论

我们认为,FD-SOI在占领物联网、5G和汽车应用领域市场份额方面处于有利地位。对于具有大量数字逻辑并且要求高性能的应用来说,FinFET仍将是首选。经过多年的发展,FD-SOI将成为主流替代品。

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