“傳統(tǒng)Bulk CMOS工藝技術將在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 

　　現在，大量IC采用體硅CMOS（Bulk CMOS）工藝技術實現，這是一種制造成本低、性能較高和具備不錯低功耗性能的成熟技術，但是，當工藝節(jié)點升級到20nm左右時，Bulk CMOS將無法獲得等比例縮小的性能、成本和功耗優(yōu)勢，很多業(yè)者認為Bulk CMOS工藝技術將在20nm走到盡頭，面對越來越近的這個極限，哪種工藝技術可以接替Bulk CMOS，繼續(xù)引領半導體技術的革命？ 英特爾和TSMC認為采用3D架構的FinFET工藝可以延續(xù)工藝技術scaling的特點，而且FinFET具有功耗低，面積小的優(yōu)點，因此兩家公司以及主要半導體代工企業(yè)都在計劃推出自己的FinFET晶體管，不過，雖然英特爾已經量產了22nm FinFET工藝晶體管，但是在向14nm演進時，其產品發(fā)布一再延遲。現在，FinFET工藝技術在scaling的演進中，遇到了很大的挑戰(zhàn)，還有其他替代Bulk CMOS工藝技術的方案嗎？ FD-SOI（全耗盡型絕緣層上硅）技術，一種主要由意法半導體推崇的工藝技術正在越來越受到產業(yè)關注，并有望成為Bulk CMOS技術的有力替補。10月13日，來自全球代工企業(yè)、半導體材料企業(yè)以及IC設計企業(yè)的高管聚集上海，參加國際SOI產業(yè)聯盟（SOI Industry Consortium）、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所（SIMIT,中國 SOI 技術的先驅者）和芯原股份有限公司聯合舉辦“FDSOI 技術高峰論壇”。中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所所長，中國科學院院士，本次會議的聯席主席王曦主持了論壇。與會者認真分析對比了FD-SOI與FinFET工藝技術的優(yōu)缺點，對兩種工藝技術的未來發(fā)展進行了深入的探討，達到了一定的共識。

　　一、 FD-SOI的優(yōu)勢分析 

　　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特性能，FD-SOI以極薄的頂層確保了晶體管的各種關鍵屬性。與傳統(tǒng)Bulk CMOS相比，在保持相同性能的前提下，FD晶圓可節(jié)省高達40%的功耗。同樣，依據不同的設計優(yōu)化，以全耗盡晶圓為基礎的處理器峰值性能最高可增長60%。

　　圖 1 FD-SOI工藝與Bulk CMOS工藝對比 

　　1.1 成本優(yōu)勢 

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

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

　　意法半導體公司研發(fā)科技部門副總經理Hartmann表示：“FD-SOI技術不僅能得到FinFET全耗盡晶體管帶給平面?zhèn)鹘y(tǒng)技術的全部好處，而且還能實現后者無法達到的先進的負偏壓（back bias）技術。”

　　1.2 IP移植的便利性 

　　意法半導體依托FD-SOI工藝在28nm節(jié)點實現了主頻高達3GHz的雙核A9處理器，在手機實際應用中，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。

　　意法半導體CPU與GPU子系統(tǒng)高級首席工程師David Jacquet分享了基于FD-SOI工藝設計主頻3GHz的雙核A9處理器的低功耗設計經驗，并結合實際設計分享了FD-SOI的幾個優(yōu)勢。

　　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的后向偏置技術可以提供更寬動態(tài)范圍的性能，因此特別適合移動和消費級多媒體應用。 在IP移植上，他表示從Bulk CMOS移植到FD-SOI難度并不大，而且，意法半導體也有意開發(fā)各類FD-SOI IP給中國IC設計公司。

　　1.3 可擴展性對比 

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

　　IBM半導體研發(fā)中心項目經理Rama Divakaruni指出，實際上，SOI工藝更易實現高性能存儲設計

　　以IBM power7處理器為例，基于SOI的嵌入式存儲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工藝有獨有的優(yōu)勢，因此FD-SOI工藝技術到7nm工藝節(jié)點時，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立的技術。

　　1.4 生態(tài)系統(tǒng)建設 

　　一種工藝技術離不開生態(tài)系統(tǒng)的支持，實際上，FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)已經在逐漸成形，從這次高峰論壇看，圍繞FD-SOI工藝，已經形成了工藝研究、晶圓、IP、代工廠、IC設計服務公司、IC設計公司的產業(yè)鏈。法國Soitec日本信越(SEH)等號稱可以提供每月超過10萬片SOI晶圓的產能，除FDSOI已在意法半導體量產外Global Foundries已與意法半導體簽約有意導入FD-SOI工藝。 很多處理器已經采用了SOI工藝，例如任天堂" Wii"、索尼計算機娛樂"PS3"、美國微軟"Xbox360"等3款最新游戲機全部配備了采用SOI材料的處理器。 SOI的應用也日益廣泛，已經應用到各類處理器和產品上。IBS的Handel Jones還認為SOI在RF領域的應用潛力非常大。

　　不過，由于英特爾已經在22nm節(jié)點實現了FinFET量產，而FD-SOI還缺乏量產的產品，所以對于FD-SOI來說，現在最或缺的可能就是一個成功故事，這個故事的主角會是誰？

　　二、中國大陸IC設計公司和代工廠可以利用FD-SOI實現彎道超車嗎？ 

　　目前，中國大陸的IC設計公司與以及代工業(yè)務已經有了極大發(fā)展，但是與國際先進公司相比還有一定差距，尤其在代工領域，大陸最先進的代工企業(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設計企業(yè)和代工企業(yè)可以利用FD-SOI實現彎道超車嗎？ 中國半導體行業(yè)協(xié)會IC設計分會理事長魏少軍在發(fā)言中強調“工藝是基礎、設計是龍頭，設計必須與工藝緊密結合。”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的大好時機。 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體市場需要高性價比的技術，FD-SOI確實是個不錯的選擇。“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產品，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。”他指出，“對于FD-SOI仍需要解決生態(tài)系統(tǒng)、設計IP以及成本方面的問題，顯然，IC制造企業(yè)希望能和IC設計企業(yè)共同分擔工藝方面的風險。”

　　“如果我們轉向FD-SOI，我們希望中國的IC設計企業(yè)可以堅定地與我們一道，并努力構建好設計生態(tài)系統(tǒng)。”他希望。顯然，在FD-SOI投入方面，制造企業(yè)和IC設計企業(yè)陷入了“雞生蛋蛋生雞”的怪圈，懼怕工藝投入的風險。 戴偉民博士，芯原股份有限公司董事長兼總裁，本次會議的聯席主席主持了圓桌論壇環(huán)節(jié)。中芯國際技術研發(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，畢竟高級工藝急速的投入資金是非常巨大的。不過正如SOI聯盟的執(zhí)行董事本次會議的聯席主席Handel Jones所言，產業(yè)總會以創(chuàng)新的思路解決難題。 10月25日，中芯國際稱2億美元可轉債項目吸引了120多個投資者，已完成9倍超額認購。中芯國際稱所得款項凈額將用作擴大8英寸及12英寸制造設施產能相關之資本開支。 一輪彎道超車已經開始了嗎？