因為沒有可見的終端產品能證明其號稱超低功耗的特色,全空乏絕緣上覆矽(fully Depleted Silicon On Insulator,FD-SOI)製程一直得努力克服半導體產業界許多工程師的質疑,例如:該技術的好處在哪?在商業市場上有實際產品嗎?它真正的優勢何在?

終於,現在有實際產品可以做為FD-SOI製程的實證──是一只中國智慧型手機品牌業者小米(Xiaomi)副品牌華米(Huami)新推出的智慧手錶Amazfit,內建了日本大廠索尼(Sony)以28奈米FD-SOI製程生產的GPS晶片。

Amazfit定價120美元,配備了一系列運動追蹤感測器以及藍牙低功耗4.0晶片、Wi-Fi無線晶片、GPS晶片、心律感測器以及NFC;該款智慧手錶的獨特之處在於較長的電池壽命,據華米表示,它能五天充電一次、或是開啟GPS功能35小時。

這是Sony的一場勝利,對FD-SOI支持者來說甚至是更大的勝利;華米的智慧手錶證明了該技術號稱超低功耗的特性。

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華米新推出的Amazfit智慧手錶

法國晶圓業者Soitec執行長Paul Boudre在接受EE Times訪問時表示:「去年產業界對FD-SOI的討論集中在該技術與另一種製程技術FinFET之間的競爭;」而在今年,業界對FD-SOI的討論終於從理論性的製程技術比較,轉移到由產品與應用所決定的技術競爭。他指出,衡量FD-SOI的標準在於該技術能為終端產品帶來的價值,也就是它實際的能源使用效益。

Sony是在2015年1月於日本東京舉行的SOI產業聯盟會議上,發表以28奈米FD-SOI製程技術製造的新一代全球衛星導航系統(GNSS)晶片;接著在今年初舉行的國際固態電路會議(ISSCC)上,Sony的工程師團隊發表了一篇關於28奈米FD-SOI製程GNSS接收器的技術論文。

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Sony在2016年度ISSCC發表的GNSS接收器晶片RF電路 (圖片來源:ISSCC)

該篇Sony論文作者指出,GNSS是感測處理器的基礎,至於該功能為何如此難以內建於可穿戴系統,是因為目前的GNSS接收器耗電量約10mW:「GNSS接收器的低雜訊RF需要高供應電壓,帶來非常高的耗電。」

Sony的設計工程師是透過有效利用FD-SOI製程開發出的0.7V射頻(RF)電路實現其技術突破;在上個月,Sony也參加了在中國上海舉行的FD-SOI論壇,探討該公司的FD-SOI製程GNSS接收器最終成品。

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隨著Sony完成了FD-SOI製程的GPS/GNSS晶片RF與邏輯電路設計,該公司將持續追蹤位置的RF功耗,從6.3mW (前一代晶片)大幅降低至1.5mW。

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對中國市場的影響

Soitec的Boudre指出,華米智慧手錶的電池續航力在GPS功能開啟的情況下,是競爭產品的2.5倍,藉此證明了Sony晶片的價值,以及FD-SOI製程技術在功耗/性能/成本方面的優勢。

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Soitec 執行長Paul Boudre戴著華米的智慧手錶

在這樣的推廣效應下,中國的無晶圓廠晶片設計業者開始對於以FD-SOI製程設計晶片越來越有興趣;Boudre預測,在未來12~18個月:「會發現來自中國的終端產品內,出現更多採用以FD-SOI製程設計、製造的晶片。」

此外市場也持續猜測中國純晶圓代工廠上海華力微電子(Huali),可能會開始提供FD-SOI製程;對此Boudre表示:「他們有機會這麼做。」

而且Boudre透露,華力並非唯一向FD-SOI製程靠攏的中國晶圓代工業者;在一年前,Soitec與中國的半導體矽材料供應商上海新傲科技(Simgui Technology)共同宣布,首批採用Soitec 獨家Smart Cut 技術之8吋(200-mm) SOI晶圓片,已經在新傲的上海廠產出。

FD-SOI製程現況

目前包括三星(Samsung)與Globalfoundries都在推廣FD-SOI製程代工,前者採用28奈米節點,後者是22奈米;而Boudre認為,中國也會在FD-SOI製程的推廣上扮演要角:「當Globalfoundries表示,其FD-SOI製程生產線已經有50個設計案進行中,該技術已經接觸產業界每一家晶片製造商。」

就在上個月,Globalfoundries宣佈,其接續22FDX的下一代FD-SOI製程12FDX已經接近量產(參考閱讀);12FDX號稱能提供媲美10奈米FinFET製程的性能,比16奈米FinFET更佳的功耗表現以及更低的成本。預計12FDX的客戶投片時程在2019上半年。

如Boudre所言,某些特定應用需要FinFET電晶體的高性能,但有很多連網裝置需要高(RF)整合度、更高的彈性、超低功耗以及更低成本,卻是FinFET無法提供的。

最近車用視覺處理器晶片設計業者Mobileye決定選擇以FinFET製程生產新一代EyeQ 5晶片(預計2018年上市),但該公司先前一直是委託意法半導體(STMicroelectronics)採用FD-SOI製程生產所有的EyeQ視覺處理器晶片。

對此Boudre表示:「這件事很簡單,Mobileye在去年必須要決定製程技術,但當時12奈米FD-SOI製程還未就緒,只好選擇另一種製程技術;所以製程發展藍圖真的很重要。」

他指出,法國技術研究機構CEA-Leti就正在為FD-SOI製程開發更長期的技術藍圖,最近已經公布了10奈米的FD-SOI製程「矽資料(silicon data)」,該機構現在已經具備7奈米節點的FD-SOI製程「建模資料(modeling data)」。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Sony-Inside Huami Watch: Is It Time for FD-SOI?,by Junko Yoshida)