因为没有可见的终端产品能证明其号称超低功耗的特色，全空乏绝缘上覆硅(fully Depleted Silicon On Insulator，FD-SOI)工艺一直得努力克服半导体产业界许多质疑，例如：该技术的好处在哪？在商业市场上有实际产品吗？它真正的优势何在？

终于，现在有实际产品可以做为FD-SOI工艺的实证──是一只中国智能手机品牌厂商小米(Xiaomi)副品牌华米(Huami)新推出的智能手表Amazfit，内建了日本大厂索尼(Sony)以28纳米FD-SOI工艺生产的GPS芯片。

Amazfit定价120美元，配备了一系列运动追踪传感器以及蓝牙低功耗4.0芯片、Wi-Fi无线芯片、GPS芯片、心律传感器以及NFC；该款智能手表的独特之处在于较长的电池寿命，据华米表示，它能五天充电一次、或是开启GPS功能35小时。

这是Sony的一场胜利，对FD-SOI支持者来说甚至是更大的胜利；华米的智能手表证明了该技术号称超低功耗的特性。

 华米新推出的Amazfit智能手表

法国晶圆厂商Soitec执行长Paul Boudre在接受EE Times访问时表示：“去年产业界对FD-SOI的讨论集中在该技术与另一种工艺技术FinFET之间的竞争；”而在今年，业界对FD-SOI的讨论终于从理论性的工艺技术比较，转移到由产品与应用所决定的技术竞争。他指出，衡量FD-SOI的标准在于该技术能为终端产品带来的价值，也就是它实际的能源使用效益。

Sony是在2015年1月于日本东京举行的SOI产业联盟会议上，发表以28纳米FD-SOI工艺技术制造的新一代全球卫星导航系统(GNSS)芯片；接着在今年初举行的国际固态电路会议(ISSCC)上，Sony的工程师团队发表了一篇关于28纳米FD-SOI工艺GNSS接收器的技术论文。 

 Sony在2016年度ISSCC发表的GNSS接收器芯片RF电路

该篇Sony论文作者指出，GNSS是感测处理器的基础，至于该功能为何如此难以内建于可穿戴系统，是因为目前的GNSS接收器耗电量约10mW：“GNSS接收器的低噪声RF需要高供应电压，带来非常高的耗电。”

Sony是透过有效利用FD-SOI工艺开发出的0.7V射频(RF)电路实现其技术突破；在上个月，Sony也参加了在中国上海举行的FD-SOI论坛，探讨该公司的FD-SOI工艺GNSS接收器最终成品。 20161008-FOI-3 随着Sony完成了FD-SOI工艺的GPS/GNSS芯片RF与逻辑电路设计，该公司将持续追踪位置的RF功耗，从6.3mW (前一代芯片)大幅降低至1.5mW。 

对中国市场的影响

Soitec的Boudre指出，华米智能手表的电池续航力在GPS功能开启的情况下，是竞争产品的2.5倍，藉此证明了Sony芯片的价值，以及FD-SOI工艺技术在功耗/性能/成本方面的优势。 20161008-FOI-5Soitec 执行长Paul Boudre戴着华米的智能手表

在这样的推广效应下，中国的无晶圆厂芯片设计厂商开始对于以FD-SOI工艺设计芯片越来越有兴趣；Boudre预测，在未来12~18个月：“会发现来自中国的终端产品内，出现更多采用以FD-SOI工艺设计、制造的芯片。”

此外市场也持续猜测中国纯晶圆代工厂上海华力微电子(Huali)，可能会开始提供FD-SOI工艺；对此Boudre表示：“他们有机会这么做。”

而且Boudre透露，华力并非唯一向FD-SOI工艺靠拢的中国晶圆代工厂商；在一年前，Soitec与中国的半导体硅材料供货商上海新傲科技(Simgui Technology)共同宣布，首批采用Soitec 独家Smart Cut 技术之8吋(200-mm) SOI晶圆片，已经在新傲的上海厂产出。

FD-SOI工艺现况

目前包括三星(Samsung)与Globalfoundries都在推广FD-SOI工艺代工，前者采用28纳米节点，后者是22纳米；而Boudre认为，中国也会在FD-SOI工艺的推广上扮演要角：“当Globalfoundries表示，其FD-SOI工艺生产线已经有50个设计案进行中，该技术已经接触产业界每一家芯片制造商。”

就在上个月，Globalfoundries宣布，其接续22FDX的下一代FD-SOI工艺12FDX已经接近量产；12FDX号称能提供媲美10纳米FinFET工艺的性能，比16纳米FinFET更佳的功耗表现以及更低的成本。预计12FDX的客户投片时程在2019上半年。

如Boudre所言，某些特定应用需要FinFET晶体管的高性能，但有很多联网设备需要高(RF)整合度、更高的弹性、超低功耗以及更低成本，却是FinFET无法提供的。最近车用视觉处理器芯片设计厂商Mobileye决定选择以FinFET工艺生产新一代EyeQ 5芯片(预计2018年上市)，但该公司先前一直是委托意法半导体(STMicroelectronics)采用FD-SOI工艺生产所有的EyeQ视觉处理器芯片。

对此Boudre表示：“这件事很简单，Mobileye在去年必须要决定工艺技术，但当时12纳米FD-SOI工艺还未就绪，只好选择另一种工艺技术；所以工艺发展蓝图真的很重要。”

他指出，法国技术研究机构CEA-Leti就正在为FD-SOI工艺开发更长期的技术蓝图，最近已经公布了10纳米的FD-SOI工艺“硅数据(silicon data)”，该机构现在已经具备7纳米节点的FD-SOI工艺“建模资料(modeling data)”。

FD-SOI技术到底是否可行?

虽然曾在激烈竞争中于关键性技术节点28nm和14nm落后于人，但作为目前全球第二大半导体代工厂，Globalfoundries(格罗方德)毫无疑问在技术方面仍有其独到之处。随着摩尔定律的放缓，业界越来越多的探讨着未来半导体的技术走向。

　　摩尔定律是否还能继续?FinFET技术能够走多远?FD-SOI技术到底是否可行?EUV何时才能突破进入实际使用?近日，《中国电子报》记者在比利时布鲁塞尔专访了格罗方德首席技术官Gary Patton。

　　下一个制程节点重点看向7纳米

　　Gary Patton告诉《中国电子报》记者，在先进制程方面，不像过去14纳米技术是从三星授权而来，7纳米技术将由格罗方德自己研发。目前还没有确定到达7纳米的具体日期，但7纳米计划绝对非常有竞争力。

　　格罗方德在与IBM的协议中获得了几百名关键技术人才，他们一直都在从事最先进半导体技术的研发。这些曾经在14纳米、32纳米和45纳米节点上与英特尔竞争的技术人员，目前正在格罗方德Melta(马耳他)工厂专攻7纳米技术。

　　FinFET技术方面，格罗方德的14纳米正在生产中，其技术水准比其他一些代工厂的14纳米和16纳米更好，非常有竞争力。目前，很多产品已经在工厂流片，产能爬坡没有任何问题，这些产品覆盖的市场范围很广泛。

　　未来，格罗方德将会把大部分生产力用于7纳米上。这是由于大部分客户都将专注于7纳米。他们认为，与设计投入相比较，10纳米节点没有足够的价值优势，他们将可能用10纳米技术做一小部分产品后转换到7纳米技术，或者直接跳过10纳米来用7纳米技术。

　　从scaling的角度来说，10纳米只能算半个节点。因为除了尺寸有所缩小，10纳米在性能提升上并没有完全遵循摩尔定律，一些拥有10纳米技术的代工厂并没有获得如摩尔定律所言的足够的性能提升，甚至有时候还会损失之前的技术节点能提供的性能表现。如果10纳米节点如果能有更多时间，也许可以加入额外的元素提升更多性能。但是由于要满足手机性能提升的计划，必须在特定日期之前就准备好相关技术，所以一些有10纳米技术节点的代工厂无法实现足够的性能提升。

　　在5纳米节点的技术选择上还有待讨论。格罗方德正在做一些路径探索的工作，例如探索FinFET技术是否可以走到5纳米节点、探索纳米层片堆栈、尝试垂直晶体管。

　　格罗方德和IBM有一个10年的协议，包括2部分。一是供应链协议，将会给他们供应14纳米、7纳米等节点技术。IBM是格罗方德22纳米技术的客户，目前已经进入14纳米的验证环节。二是研发合作协议。格罗方德正在和IBM一起在Albany纳米技术中心共同研发7纳米技术，以及寻找5纳米和5纳米以下节点的路径。

　　虽然最先进的制程技术很重要，但是老的制程技术仍然占据很大的市场份额。例如射频信号，IBM曾经是射频代工的领导者，这部分业务也随着IBM半导体部门转移到了格罗方德。格罗方德在这个领域投入了很多资金，以帮助在新加坡和Dresden(德国德勒斯登)的晶圆厂中的射频业务。22纳米FD-SOI技术也将有部分射频的生产。

　　FD-SOI技术已经可以走入下一个节点

　　据Gary Patton透露，格罗方德的Dresden工厂已经开始了22纳米产能爬坡。去年7月，格罗方德刚宣布22纳米FD-SOI的项目，现在还处于早期技术开发阶段。今年年底，格罗方德将进入最后试产阶段的风险生产。这意味着目前已经有客户在用该平台设计芯片了。

　　毫无疑问的是，FD-SOI技术在22纳米后可以走到下一个节点。Melta工厂在下一个节点的FD-SOI技术上也取得了发展。不过格罗方德还没有为该节点命名，没有确定具体数字。目前，为节点命名变得越来越难，因为节点名称不再与任何物理物质存在紧密联系。所以只能通过scaling(尺寸缩小)来判断到底属于哪个区域。

　　IBM曾经在SOI方面有着丰富经验，过去长期研究PD(厚膜部分耗尽)-SOI技术。在这个领域，IBM已经走过很多代技术，直到5~6年前，开始探索FD(薄膜全耗尽)-SOI技术。

　　由于这是一个对成本非常敏感的市场，格罗方德希望可以改变基本规则，真正找到那个最佳平衡点。22纳米就是一个最佳平衡点，因为可以在不用做太多双重曝光的情况下，获得较大的尺寸缩小。随着尺寸进一步缩小，双重曝光是不可避免的，格罗方德希望的是最大化的避免做过多的双重曝光甚至三重曝光，找到可能的最佳成本点，综合平衡好成本、性能和功率三者之间的关系。

　　的确，FD-SOI技术在基片上的成本有所增加，但由于内置绝缘节省了很多掩膜步骤，所以其实FD-SOI技术是在成本方面有竞争力。另外，格罗方德28纳米技术生产的大部分工具都已成功运用于22纳米技术生产，所以除了一些非常特殊的工具外，格罗方德在工具上只投入了很少的资本，这也帮助降低了成本。

　　同时提供FD-SOI技术和FinFET技术

　　Gary Patton指出，格罗方德同时提供FD-SOI技术和FinFET技术。FinFET技术提供给那些希望做更大、更高性能芯片的公司;FD-SOI技术提供给那些更关注功率和成本平衡的公司。

　　由于IBM的需求，FD-SOI技术和FinFET技术研发在同时推进。因为IBM的重点需求是具备极高性能的大芯片。在这部分市场中，FinFET技术是明显的赢家。因为FinFET技术能够提供更大的电流。很大的芯片中需要驱动很长的信号线路，这要有很大的布线电容，需要更大的电流。

　　但对于小芯片来说，比如物联网芯片，布线电容不需要那么大，器件电容更重要。那么FD-SOI技术在这种应用场景下就更合适，因为FD-SOI有更少的器件电容。

　　格罗方德在这里引入了一个小转折，即体偏压技术(body-bias)。这是FD-SOI技术所独有的特点，也是让该技术最受关注的特点。通过把硅做得极薄，让它可以全部耗尽，所以不会再漏电流。如果再将氧化硅层做的非常薄，同时放入偏置装置(bias)，就可以调节控制这个晶体管。如果放入的是正偏压，可以实现性能快速增强;如果放入的是负偏压，我们实际上可以关掉该装置。让它实现很低的漏电流，大概是1pA/micron的水平。

　　它可以用于非常典型的物联网应用，Gary Patton称之为“watchdog processor”(看门狗处理器)。这个处理器永远处于工作状态。这个处理器不需要高性能，因为它只用于监控，等探测到活动时，自动打开图像处理、无线通信等功能。等所有事情完成，它再用偏压关闭这些部分。所以，当反向偏压的时候，漏电流极低;只有短时间需要用到高性能的时候，再转换到正向偏压。所以也可以实现极低的功耗。

　　未来技术节点的尽头不可预测

　　Gary Patton指出，对于未来的技术节点每个人都有自己的猜测。要注意的是，这些节点名称已经成为一种市场策略。“我们是不是能做1纳米技术?当然可以，但这个技术节点是什么?谁来决定这个技术节点是叫1纳米?”Gary Patton强调。

　　一些代工厂虽然提供16纳米、14纳米技术，但实际上从基本规则上来说，它是20纳米技术节点。在很多年前，对于节点的定义还有一个物理尺寸可以测量出来，但是现在已经不再有这样的物理尺寸。现在的节点是对尺寸缩小情况的一种描述，但并不是准确的。例如台积电，他们的10纳米相对于他们的16纳米来说，确实缩小了，但这并不是一整个节点的缩小，而是半个节点的缩小。

　　但可以确认的是，scaling(尺寸缩小)可以持续下去，例如用晶体管堆栈、借鉴存储3Dnand的结构，他们就是在不断地向上堆叠。

　　More than Moore将发挥作用

　　“随着技术的发展，产业界会继续scale(尺寸缩小)，但是节奏会放缓。目前，这个节奏已经放缓了。”Gary Patton告诉《中国电子报》记者。

　　英特尔已经将节奏从2年为延长至3年。这足以说明技术挑战性，随着生产越来越复杂，从科技中获得足够的性能提升变得越来越难，需要更多的时间。

　　Gary Patton不认为问题是技术方面的，他认为现在有很多好想法，比如垂直晶体管、纳米层片、自旋电子等。限制将是经济方面的，一个更小的芯片可以实现更高的性能，但对多数应用来说也许会太贵。根据半导体顾问机构IBS的预测，40纳米和28纳米未来将仍然有很大的出货量，直到20~25纳米。

　　Gary Patton指出，我们还必须探索其他的增值方式，有些人称之为“more than moore(超越摩尔)”。例如现在的系统中，三分之一左右的电力被芯片间的通信消耗了，如果可以将芯片封装的更近，集成包括光电子在内的一些其他的元素，能够显着减少功耗，实现性能提升。另外，在封装方面和低成本高效益方面，未来都有很多可做为的地方。

　　“而像FD-SOI这样的另一种技术，为那些不想为昂贵的7纳米技术付费的客户提供了另一种选择。”Gary Patton说。

　　因为不是所有产品都适用于7纳米技术。从28纳米到14纳米，设计成本已经增加了2.5~3倍，可以想象的是如果考虑到三重曝光等因素，7纳米的成本只会更高。对于物联网芯片来说，这就不合适了。Gary Patton表示，物联网芯片也许更适合用22纳米FD-SOI技术。

　　另外，从scaling的角度，目前越来越难从缩小技术方面获得很高的性能提升。所以人们开始探索另一条道路，比如如何让他们的产品实现进一步的优化，这也许是用过去的技术或者混合技术。

　　例如一大部分射频内容，如果将其放在7纳米芯片上，实际上需要负担7纳米的价格，但产品实际上并没有缩小太多。因为射频晶体管很大，不能从缩小中受益。所以，更经济的做法也许不是把这对射频内容整合在7纳米技术上，而是用两个芯片，一个是7纳米处理器芯片，一个是应用过去的节点但是专门针对射频优化的技术制造的芯片，把两个芯片集成在一个FD-SOI的基板上。这样制造成本更低，性能表现也更好。

　　所以，从两方面入手，对于那些更注重性能的用有机基板，对那些更注重成本的用硅基板。IBM两种手段都有，做为协议的一部分目前也转移到了格罗方德。

　　Gary Patton指出，另外一条路就是做3D封装。格罗方德的3D封装已经进入批量生产。美光就是其中一个客户。在与美光的合作中，格罗方德支持了其Hybrid Memory Cube"(HMC)技术，他美光用格罗方德的专用集成电路芯片做了硅通孔，然后将多个DRAM芯片堆叠起来，形成一个非常大的存储单元。