Para abordar as tecnologias de processo de semicondutores de 2018 e as mais esperadas para os próximos cinco anos, além da próxima produção do processo de ponta FinFET de 7nm e do nó de processo de 5nm, que se espera que introduza completamente a litografia ultravioleta extrema (EUV) Também é um foco da indústria que vários vendedores de fundição estão buscando uma ampla gama de opções de tecnologia de processo de baixa a média para necessidades de componentes de baixo consumo de energia e baixo custo no mercado de internet de coisas (IOT), amplamente utilizado e abrangente.
Tal como o FFC de 16 e 12 nanômetros (FinFET Compact Technology) da matriz de bolacha TSMC, ultra baixa potência (ULP) de 22 nanômetros, HPC / HPC + de 28 nanômetros e ULP de 40 nanômetros, ULP de 55 nanômetros e baixo consumo de energia (LP), o processo FinFET (22FFL) de 22nm de baixa potência da Intel, o HPP (High Performance Plus) / SLP (Super Low Power) da GlobalFoundries, o processo 22FDX e o Samsung Electronics O FDSOI, a LPP, a LPH ... e mais de Samsung de 28nm são soluções que abordam as necessidades de uma ampla gama de aplicativos IoT.
Uma das maiores diferenças entre o processo da série FDX da GlobalFoundries e o processo FD-SOI da Samsung, entre outras soluções concorrentes, é o uso de Silício Totalmente empobrecido, que é muito difícil de pronunciar tanto em inglês como em chinês. Silicon On Insulator, FD-SOI), pioneira na indústria pelo SOI Industry Consortium, STMicroelectronics e seus parceiros de pesquisa e desenvolvimento IBM, GlobalFoundries e Samsung em 2011, Os nano-nodos de 28nm e 20 (22nm) podem alcançar o desempenho equivalente dos processos FinFET de próxima geração suportados pela Intel, TSMC e outros com menor custo e menos risco.
Vantagens da tecnologia FD-SOI?
Ao contrário da estrutura de transistor 3D utilizada no processo FinFET, o FD-SOI é um processo planar. De acordo com a literatura técnica oficial da ST na rede, o FD-SOI possui duas inovações principais: a primeira é o uso de óxido enterrado (BOX) A camada de isolamento fino colocada no substrato de silício, então a fina película de silício é implantada no canal do transistor, devido à sua espessura ultra fina, o canal não precisa de dope (doping), de modo que o transistor pode ser completamente esvaziado nos dois acima A combinação de todos os tipos de tecnologias inovadoras é chamada de "corpo ultra-fino e óxido enterrado FD-SOI (UTBB-FD-SOI)".
ST disse que o FD-SOI proporciona melhor desempenho de ESD de transistor do que a tecnologia convencional de silício a granel, enquanto o óxido enterrado reduz a capacitância parasitária entre a fonte e o dreno; Além disso, esta técnica limita efetivamente o fluxo de elétrons entre a fonte e o dreno, reduzindo drasticamente a corrente de vazamento que afeta o desempenho do dispositivo (Figura 1). Além do portão, o FD-SOI também pode polarizar o substrato subjacente Para controlar o comportamento do transistor, semelhante ao viés em massa que a tecnologia de silício a granel pode alcançar.
No entanto, a polarização em massa da tecnologia de silício a granel é muito limitada, porque a corrente de fuga parasita e a geometria do transistor reduzem a eficiência do transistor diminuem, e o FD-SOI devido à estrutura de cristal e à eficiência da polarização da camada isolante ultra-fina será melhor. , O óxido enterrado também pode alcançar uma maior polarização do substrato para alcançar um controle dinâmico inovador do cristal - quando o substrato é a polarização da frente, que é a polarização direta da matriz (FBB), a velocidade de comutação do transistor Pode acelerar e, assim, otimizar o desempenho dos componentes e o consumo de energia.
De acordo com o ST, os FD-SOIs implementam facilmente FBBs e se ajustam dinamicamente durante a operação do transistor, proporcionando aos engenheiros de projeto um alto nível de flexibilidade, especialmente no que diz respeito ao desempenho e velocidade de economia de energia, onde o desempenho não é crítico, A solução ideal para redes ou aplicações portáteis / wearable de eletrônicos de consumo.
Em um relatório de 2014, Handel Jones, diretor executivo de estratégias de negócios internacionais (IBS), uma empresa de pesquisa de mercado, escreveu: "O mesmo chip quadrado de 100mm, usando um processo de 28nm FD-SOI, custa 3 vezes menos do que um processo CMOS em massa %, Que pode ser ainda mais reduzido em 30% no nó de 20nm. Isso ocorre porque quanto maior o rendimento dos parâmetros, menor o preço da bolacha. Além disso, a complexidade do processo FD-SOI é comparada com a do processo CMOS a granel Baixa 10% ~ 12%.
Jones afirmou ainda: "A combinação de menores dimensões e maior rendimento paramétrico produz 20% de vantagem de custo de produto superior ao nó de 20nm para o processo FD-SOI e 20% para o processo CMOS em massa. No nó de 28nm, o FD- O SOI oferece um desempenho superior a 15% do que o CMOS a granel de 20n. "Ele também apontou:" O processo FD-SOI oferece níveis de eficiência energética mais altos para Vdd alto / baixo do que processos CMOS em massa, A eficiência energética do FD-SOI sobre células de bits também é maior do que o CMOS em massa devido a menores correntes de vazamento e uma maior imunidade às partículas alfa.
Processo FD-SOI: frio ocidental, leste quente
No entanto, o FD-SOI afirma ter muitas das vantagens descritas acima, e o rendimento da fabricação, o custo das bolachas proprietárias e a estabilidade da fonte de abastecimento, bem como o histórico exato da produção em massa e o suporte técnico geral para a integridade do ecossistema estão ainda entre a indústria Muitos apoiadores da FD-SOI na Europa, incluindo ST, NXP (NXP) e outros apoiantes, a Samsung, a GlobalFoundries também promovem ativamente seu próprio negócio de fundição FD-SOI, a tecnologia na discussão do mercado de calor e visibilidade tem sido baixa Especialmente no Ocidente.
A partir de fevereiro de 2017, a GlobalFoundries anunciou que vai investir US $ 10 bilhões para configurar uma fábrica de 12 polegadas na Zona Oeste de Chengdu Hi-tech (Figura 2). A primeira fase de produção que começará a operar em 2018 será uma transferência mais madura de sua fábrica de Cingapura Do processo de 180/130 nm e o segundo para a linha de processo FD-SOI 22FDX da fábrica de Dresden na Alemanha, que deverá começar a operar em 2019, esta mensagem despertou repercussões generalizadas na indústria de semicondutores, exceto que mais uma vez A ambição do continente de desenvolver a cadeia doméstica da indústria de semicondutores também representa que a "linha de batalha principal" do processo FD-SOI será inflamada no continente.
A China Continental manteve-se interessada na tecnologia FD-SOI no início de 2015, quando Wayne Dai, presidente-executivo da VeriSilicon, fornecedora de serviços de design IC na China continental, disse aos jornalistas da EE Times que, em vez de continuar trabalhando no processo FinFET Para acompanhar a TSMC ou a Intel, ele acredita que o continente deve investir no FD-SOI e usar essa tecnologia como alternativa aos processos de baixa potência. Além disso, o Simgui de Xangai iniciará a produção em massa dos primeiros 8 polegadas Wafers SOI, usando a tecnologia de processo Smart Cut da Soitc, parceira estratégica da empresa.
Há também uma plataforma de investimento criada por um grande fundo, com o National Silicon Industry Group (NSIG) anunciando sua participação de 14,5% na Soitec em 2016, a fundição de chips Shanghai Huali Microelectronics Corp.) revelou planos para investir em linhas de produção FD-SOI antes que a GlobalFoundries anunciasse seu plano de investimentos para a usina de Chengdu, mas nenhum cronograma específico está disponível, indicando que o FD-SOI será parte do plano para a indústria de semicondutores na China continental Pode fazer isso até agora no mercado mundial ocidental uma tecnologia ligeiramente menos habilidosa, brilhante na febre do mercado leste.
De acordo com Alain Mutricy, vice-presidente sênior de gerenciamento de produtos da Globalfoundries, em entrevista ao EE Times em maio de 2017, o investimento da empresa na criação de fábricas em Chengdu é apenas o primeiro passo, seguido do estabelecimento de um ecossistema FD-SOI no continente para ajudar o continente Foundry IC design empresas e prestadores de serviços de design mais fácil de obter o IP e as ferramentas necessárias.
A guerra do processo IoT está prestes a explodir
No final de setembro de 2017, Sanjay Jha, CEO da GlobalFoundries, que entregou o discurso principal no 5º Fórum Shanghai FD-SOI patrocinado pela SOI Industry Alliance, promoveu vigorosamente o processo FD-SOI a 22 nanômetros - usando apenas um mínimo de máscara Node também é adequado para aplicações sensíveis ao custo / energia, como Internet of Things, dispositivos portáteis e similares, e espera-se que seja o nó da "longevidade" no mercado - como benchmark, o processo 22FDX da empresa e o processo Intel 22FFL, processo TSMC 22ULP Comparação de desempenho (Figura 3).
Em uma entrevista da EE Times China após o discurso principal, Jha disse: "Do ponto de vista do custo, o FinFET de 22nm com tecnologia planar terá mais etapas de processo e maior complexidade de controle de processo. Para o FDX, o custo do substrato subjacente pode Será mais elevado. É muito difícil analogizar a estrutura de seus respectivos custos, mas considerando nosso custo de investimento em construção na fábrica de bolachas na China e a escala do efeito de custo, em termos de custos de produção, em comparação com a tecnologia da Intel pode ter uma ligeira vantagem '
No mesmo fórum, o executivo-chefe da Jones, IBS, propôs ainda uma análise custo-por-porta do processo FD-SOI (Figura 4). Ele apontou que o processo FD-SOI de 28 nanômetros e os 28 nanômetros de alta- Os custos de portão para CMOS a granel (HKMG) são bastante comparáveis e o custo do portão para FD-SOI de 22 nanômetros ainda é competitivo. Na próxima geração de FD-SOI de 12 nanômetros, que requer menos fotomask, O custo final é 22,4% inferior ao processo FinFET de 16nm, 23,4% inferior ao FinFET de 10nm e 27% inferior ao FinFET de 7nm, enquanto o baixo consumo de energia do FD-SOI é certamente melhor do que o FinFET.
Além disso, a Jones também propôs a comparação de custos do processo de projeto de hardware e software (Figura 5) para cada nó do processo. O custo de projeto do FD-SOI de 12 nanômetros é estimado entre US $ 5.000 e US $ 55 milhões, enquanto o custo de projeto de um FinFET de 16 nanômetros é de cerca de US $ 72 milhões. O design FinFET de 10 nanômetros custa cerca de US $ 131 milhões e, como o resultado do projeto requer 10 vezes o custo de receita, o FD-SOI de 12 nm terá um tamanho de mercado maior (TAM) do que os finFETs de 16 nm e 10 nm.
A GlobalFoundries considera os dispositivos móveis, a Internet das coisas (IoT), as comunicações sem fio (5G / LTE / Wi-Fi) e o automóvel (ADAS / comunicações automotivas) como uma combinação de características e vantagens de custos, como o baixo consumo de energia FD-SOI e a facilidade de integração com RF Jones afirma que 90% dos componentes existentes do processo de 28 nm são adequados para processos FD-SOI, com um tamanho estimado de TAM de US $ 17,1 bilhões em 2018 (Figura 6) e até 2025 18,4 bilhões de dólares dos EUA. Quanta receita cada fornecedor da tecnologia FD-SOI pode realmente fazer depende de suas capacidades. A batalha pelas garantias no mercado da Internet do mercado tem sido encharcada.
Os fabricantes de IC do continente ansiosos para os fabricantes de Taiwan?
De acordo com as estatísticas fornecidas pela GlobalFoundries no 5º Fórum Shanghai FD-SOI, o processo 22FDX da empresa conquistou um total de 135 clientes, dos quais 20 entrarão no teste de bolacha multiprojeto (MPW) até o final de 2017 15 deles serão oficialmente postos em operação até o final de 2018. Entre os clientes que entram na fase de projeto / projeto de teste estão 10 fabricantes da China continental.
Depois que a GlobalFoundries anunciou a construção de uma nova fábrica de 12 polegadas em Chengdu com um investimento total de 10 bilhões de dólares dos EUA em fevereiro de 2017, a Global Foundry anunciou em maio do mesmo ano com o governo municipal de Chengdu que as duas partes trabalharão juntas para construir uma escala de investimento cumulativa de mais de 100 milhões em 6 anos O "ecossistema FD-SOI" de classe mundial do USD cobre uma série de centros de P & D em Chengdu e projetos de pesquisa com universidades e faculdades que visam atrair mais fornecedores de semicondutores para Chengdu e fazer Chengdu a próxima geração Chip design center of excellence '.
As empresas que se juntarão ao ecossistema FD-SOI de Chengdu incluem fornecedores da EDA, Cadence, Synopsys, fabricante de serviços de design VeriSilicon e Invecas, bem como casas de design de chips MediaTek, RockChip, Shanghai Fudan Microelectronics Group Company) e outros. Em entrevista à EE Times, a Dai Weimin da VeriSilicon afirmou que, para obter fundos de P & D do investimento no ecossistema FD-SOI de Chengdu, "todas as empresas devem implantar sua equipe de pesquisa e desenvolvimento em Chengdu".
Dai Weimin apontou que os apoiadores da FD-SOI lançaram as bases para o continente e continuam promovendo fabricantes locais de chips e engenheiros de design IC, funcionários governamentais e fundos de investimentos privados através de eventos como o Fórum Shanghai FD-SOI. Na sua opinião, existem vários pontos-chave para expandir o ecossistema FD-SOI: a viabilidade de usar o FD-SOI para design de sinal misto e RF, o suporte de provedores de serviços de design como o VeriSilicon, o fluxo de projeto de viés de substrato e Ferramentas, educação de design, seminários, cursos universitários, laboratórios e livros didáticos e apoio governamental.
A GlobalFoundries disse que o ecossistema do processo FD-SOI Os parceiros do FDXcelerator atingiram 33 em setembro de 2017 (Figura 7), enquanto os fabricantes de IC globais estão desesperados pela tecnologia FD-SOI e o ecossistema industrial local está se formando gradualmente. , Abrangendo os fabricantes a montante e a jusante da cadeia da indústria de semicondutores. Embora Taiwan ocupe um número muito pequeno de fabricantes, incluindo o gigante das embalagens e testes ASE, o provedor de IP de memória embutida eMemory eo provedor de IP do processador Anxin Technology (Andes).
Em uma entrevista com a EE Times, Lin Zhiming, gerente geral da Crystal Heart Technologies, disse na entrevista que, em 2015, a empresa colaborou com o parceiro de longa data da Global Foundries, o fornecedor de serviços de design IC dos EUA, para importar seu núcleo de processador N7 de 32 bits para a referência de processo FD-SOI Design, e mais tarde ganhou a validação do processo 22FDX da GlobalFoundries.
Ele ressaltou que o coração do desenvolvimento do núcleo do processador foi originalmente baseado em baixo consumo de energia, alta eficiência, pois suas séries N7, N8 e N9 foram usadas na Internet de Coisas e no mercado eletrônico de eletrônicos de consumo, presença, incluindo relógios inteligentes Assistentes de voz inteligentes, consoles de jogos e microfones de karaoke portáteis, etc. O mercado-alvo está na mesma direção que a tecnologia FD-SOI. Com esta opção de processo e o IP de cristal, espera-se que melhore a economia de energia nos projetos dos clientes Eficácia.
Os fornecedores de IP semicondutores de Taiwan não estão ausentes no ecossistema FD-SOI, mas quando as empresas taiwanesas de design IC seguirão? Além do MediaTek, que já está se preparando para se juntar ao ecossistema FD-SOI de Chengdu, atitudes das empresas taiwanesas locais em relação à tecnologia Tão frio quanto o mercado ocidental, como o laboratório de teste de semicondutores iST (iST) disse que entende-se que Taiwan está tentando o design FD-SOI. Os fabricantes de IC ainda são uma minoria, o processo deve aceitar muito mais lento do que os fabricantes do continente .
Conclusão
Huang Zhiyu, analista do Centro de Pesquisa de Semiconductores do Instituto de Pesquisa TrendForce de Taiwan, disse que, atualmente, as estatísticas da capacidade de produção FD-SOI global não são fáceis de obter e só podem estimar que o processo ocupa a geração global de bolacha em 2017 A proporção de trabalhadores vendidos foi de cerca de 0,2%. Ele também apontou que a China continental estabeleceu ativamente a cadeia da indústria FD-SOI e a fabricante de bolachas Soitec e wafer foundry GlobalFoundries, para competir com a competitividade do processo de 28 nanômetros de Taiwan. Pode trazer impacto.
No entanto, Huang salientou que também é importante observar o momento da capacidade de produção de FD-SOI na China continental. Devemos também considerar a depreciação do processo de 28 nanômetros e a capacidade real do FD-SOI no mercado de fundições existentes: A capacidade do processo FD-SOI de pequena escala, o custo é relativamente alto e, se a depreciação de fundição em boas condições, poderá fornecer um preço mais favorável de um processo de 28 nanômetros, portanto, na competição de produtos finais orientada para os custos, FD-SOI Pode não ser benéfico.
O processo de 28nm pode ser dito que a fundição de Taiwan Hutch Union UMC (UMC), a "vaca de caixa" da TSMC, incluindo a TSMC em 2017, envios de bolinhas de 28 nanômetros atingiram um recorde de 180 mil, o campo do nó No terceiro trimestre de 2017, a TSMC ainda ocupava a maior receita geral trimestral, atingindo 27%, superior ao nó avançado de 16 / 20nm. No terceiro trimestre, a UMC registrou uma desaceleração na demanda do mercado por 28 km de HKMG.
Qual será o impacto do processo ameaçador de FD-SOI no mercado de fundição existente de 28 nanômetros? Será que o setor de semicondutores do continente reescreverá a história devido ao desenvolvimento da tecnologia FD-SOI? O próximo 22mm da TSMC Processo e se pode obter o poder de mercado? Para as oportunidades de mercado de rede, a UMC no processo de 28 nanômetros vai sacrificar o que as novas "armas"? 2018 semicondutor situação de desenvolvimento de mercado vale a pena uma após outra observação!