意法半導(dǎo)體為MCU開(kāi)啟FD-SOI時(shí)代

2024年3月26日，意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics,簡(jiǎn)稱ST)宣布了基于 18 納米全耗盡絕緣體上硅(FD-SOI) 技術(shù)并整合嵌入式相變存儲(chǔ)器 (ePCM)的先進(jìn)制造工藝，支持下一代嵌入式處理器升級(jí)進(jìn)化，并將此技術(shù)應(yīng)用在通用32位MCU市場(chǎng)領(lǐng)先的STM32系列MCU產(chǎn)品。意法半導(dǎo)體作為FD-SOI技術(shù)的主要貢獻(xiàn)者，這次聯(lián)合三星晶圓代工廠共同開(kāi)發(fā)新技術(shù)，助力嵌入式處理應(yīng)用的性能和功耗實(shí)現(xiàn)巨大飛躍，同時(shí)可以集成容量更大的存儲(chǔ)器和更多的模擬和數(shù)字外設(shè)。據(jù)悉，基于新技術(shù)的下一代 STM32 中端微控制器的首款產(chǎn)品將于 2024下半年開(kāi)始向部分客戶提供樣片，2025 年下半年排產(chǎn)。

作為同為胡正明團(tuán)隊(duì)研發(fā)的技術(shù)，平面的FD-SOI和3D的FINFET各有特點(diǎn)，傳統(tǒng)的美系半導(dǎo)體廠商選擇了FINFET提升集成電路密度，為了尋求差異化道路，以意法半導(dǎo)體為主的歐洲公司則嘗試FD-SOI技術(shù)以尋求差異化競(jìng)爭(zhēng)之路。由于其高性能、低功耗、高集成度和良好的熱穩(wěn)定性，F(xiàn)DSOI在移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。此次ST將FD-SOI率先引入MCU領(lǐng)域，很重要的一個(gè)原因得益于ST在FD-SOI技術(shù)上擁有豐富的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。ST于2012年推出了28納米FD-SOI的手機(jī)AP產(chǎn)品，該工藝來(lái)自于ST自有的Crolles II–300mm晶圓廠。與ST Micro的28納米體工藝相比，28納米FD-SOI工藝的性能提高了32%-84%，當(dāng)年基于該技術(shù)的那顆ST-Ericsson的AP相比其他同期產(chǎn)品性能提升高達(dá)20%以上。

在FDSOI的產(chǎn)業(yè)鏈條中，ST擁有足夠的話語(yǔ)權(quán)和產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)

那么這次將FD-SOI技術(shù)帶入MCU又將給STM32系列MCU帶來(lái)哪些優(yōu)勢(shì)呢？按照ST官方的解讀，與目前在用的 ST 40nm 嵌入式非易失性存儲(chǔ)器 (eNVM) 技術(shù)相比，集成 ePCM 的18nm FD-SOI制造工藝極大地提高了關(guān)鍵的品質(zhì)因數(shù)：

·         性能功耗比提高 50% 以上；

·         非易失性存儲(chǔ)器 (NVM)密度是現(xiàn)有技術(shù)的2.5 倍，可以在片上集成容量更大的存儲(chǔ)器；

·         數(shù)字電路密度是現(xiàn)有技術(shù)的三倍，可以集成人工智能、圖形加速器等數(shù)字外設(shè)，以及最先進(jìn)的安全保護(hù)功能；

·         噪聲系數(shù)改善 3dB，增強(qiáng)了無(wú)線 MCU 的射頻性能。

該技術(shù)的工作電源電壓是3V，可以給電源管理、復(fù)位系統(tǒng)、時(shí)鐘源和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器等模擬功能供電，是20 納米以下唯一支持此功能的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。該技術(shù)的耐高溫工作、輻射硬化和數(shù)據(jù)保存期限已經(jīng)過(guò)汽車市場(chǎng)的檢驗(yàn)，能夠滿足工業(yè)應(yīng)用對(duì)可靠性的嚴(yán)格要求。

基于以上官方的解讀，我們大膽對(duì)ST選擇將FDSOI引入MCU的理由進(jìn)行一些自己的分析理解。

最直接的原因就是技術(shù)優(yōu)勢(shì)，眾所周知半導(dǎo)體工藝每前進(jìn)一代性能都會(huì)有所提升。如果按密度來(lái)算，目前ST所采用的40nm算是45nm的半代工藝節(jié)點(diǎn)，而最先進(jìn)的28nm工藝是32nm工藝的半代節(jié)點(diǎn)，兩者恰好相差一代。目前從45到28是主流MCU最常見(jiàn)的工藝節(jié)點(diǎn)，一方面是技術(shù)非常成熟制造成本比較低，另一方面是性能比較穩(wěn)定適合SoC的多單元集成。而18nm理論上是22nm的半代節(jié)點(diǎn)，相比于28nm又前進(jìn)了一代，從工藝上說(shuō)要比現(xiàn)在的40nm提升了兩代，無(wú)論是密度還是功耗都會(huì)有明顯的提升。如果能把成本控制好，2代工藝差帶來(lái)的性能和功耗優(yōu)勢(shì)無(wú)疑是顯而易見(jiàn)的。雖然這次是和三星共同開(kāi)發(fā)的技術(shù)，但ST在整個(gè)FDSOI產(chǎn)業(yè)鏈的重要性幾乎是無(wú)可取代的，而目前ST擁有在產(chǎn)量最大的FDSOI芯片，現(xiàn)在加上目前幾乎年出貨量接近20億顆的STM32系列，即使只有五分之一的STM32未來(lái)轉(zhuǎn)向采用18nm的FDSOI，這種級(jí)別的產(chǎn)能足夠填滿一條300mm晶圓線。我認(rèn)為，ST是經(jīng)過(guò)了詳細(xì)的評(píng)估才會(huì)決定邁出這一步的，畢竟平面工藝的成本提升要比采用3D工藝小很多，因此成本方面帶來(lái)的提升應(yīng)該足夠被性能和功耗方面的優(yōu)勢(shì)抹平。畢竟按照ST官方公告，新工藝的性能功耗比可以提升50%，這個(gè)優(yōu)勢(shì)帶來(lái)的市場(chǎng)影響力有多震撼可想而知。

第二個(gè)原因是差異化和無(wú)奈的選擇。由于大部分代工廠追求先進(jìn)工藝，因此傳統(tǒng)平面工藝幾乎到了28nm就截止了，再繼續(xù)深入到22或者14這些節(jié)點(diǎn)主流采用的都是FINFET工藝。MCU因?yàn)槠涮厥庑院统杀緣毫?，短期?nèi)是無(wú)法支撐起FINFET的高價(jià)格和對(duì)模擬與存儲(chǔ)單元的排斥性。從制程工藝成本和分布來(lái)看，F(xiàn)D-SOI可能是MCU工藝前進(jìn)到1xnm級(jí)別無(wú)奈的選擇。我相信當(dāng)2021年STM32即將登頂32位通用MCU市場(chǎng)份額之際，ST就已經(jīng)開(kāi)始布局如何在差異化并不明顯的Arm核MCU市場(chǎng)中尋找全新的差異化手段了，而選擇自己最擅長(zhǎng)的FD-SOI進(jìn)軍1xnm級(jí)別工藝，這看似無(wú)奈的選擇反而可能會(huì)更加鞏固STM32在MCU市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，畢竟身后幾個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手短期內(nèi)可能沒(méi)有如此成熟的應(yīng)對(duì)FDSOI的經(jīng)驗(yàn)。

第三個(gè)原因應(yīng)該說(shuō)符合MCU發(fā)展的客觀趨勢(shì)。隨著MCU內(nèi)核性能不斷提升，在中高端MCU市場(chǎng)的差異化和主流發(fā)展趨勢(shì)就是更大的存儲(chǔ)容量和更多的模擬功能外設(shè)集成，特別是對(duì)集成無(wú)線功能的MCU來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是如虎添翼。恰好FD-SOI技術(shù)一個(gè)特點(diǎn)就是擁有更好地模擬和射頻技術(shù)親和力，并且在ST的官方介紹中，eNVM到ePCM的進(jìn)化能大幅提升片上存儲(chǔ)的容量，這會(huì)再次提升STM32 MCU的競(jìng)爭(zhēng)力，以及在部分需要配合模擬功能的場(chǎng)合擁有更好的先天優(yōu)勢(shì)，比如電機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)字電源和安全系統(tǒng)。另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，F(xiàn)DSOI工藝在抗高溫和抗輻射方面也有出色表現(xiàn)，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)增加STM32系列在苛刻的工業(yè)應(yīng)用甚至汽車和航空航天應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，對(duì)剛剛將汽車微控制器和通用微控制器部門(mén)合并的ST來(lái)說(shuō)未來(lái)FDSOI應(yīng)用于汽車MCU并不遙遠(yuǎn)。當(dāng)然，能夠集成更多片上存儲(chǔ)空間的消息可能對(duì)跟ST直面競(jìng)爭(zhēng)的國(guó)內(nèi)MCU老大并不友好，畢竟這家國(guó)內(nèi)巨頭一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)就是在存儲(chǔ)容量方面擁有不小的領(lǐng)先。

如果說(shuō)STM32系列的成功是借Arm核MCU生態(tài)優(yōu)勢(shì)的東風(fēng)乘勢(shì)而起，那么站穩(wěn)市場(chǎng)老大地位并且剛剛合并了通用和汽車MCU的ST下一步要鞏固市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)就必須要尋求差異化，從而繼續(xù)鞏固并擴(kuò)大自己的市場(chǎng)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，目前看ST給出了一個(gè)最值得市場(chǎng)震撼的選擇，這個(gè)選擇短期內(nèi)甚至讓其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都很難跟進(jìn)。既然ST可以用40nm工藝將M0+內(nèi)核的功耗做到14nA級(jí)別，那么我們是否可以期待18nm工藝的STM32再次刷新32位MCU的各種數(shù)據(jù)極限呢？

FDSOI適合更多的集成和模擬、功率應(yīng)用

附錄

FDSOI技術(shù)簡(jiǎn)介

FD-SOI是一種平面工藝技術(shù)，依賴于兩項(xiàng)主要?jiǎng)?chuàng)新。首先，在基底硅的頂部放置一層超薄絕緣體，稱為掩埋式氧化物。接著，通過(guò)超薄的硅膜實(shí)現(xiàn)晶體管溝道。由于其厚度超薄，無(wú)需摻雜溝道，即可使晶體管完全耗盡。這兩項(xiàng)創(chuàng)新的結(jié)合被稱為“超薄體和掩埋式氧化物全耗盡型SOI”或UTBB-FD-SOI。

圖FD-SOI結(jié)構(gòu)示意圖（來(lái)源意法半導(dǎo)體官網(wǎng)）

和體硅技術(shù)相比，F(xiàn)D-SOI可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米節(jié)點(diǎn)工藝制程下晶體管電流的有效控制和閾值電壓的靈活調(diào)控。FD-SOI通過(guò)構(gòu)造實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)bulk技術(shù)更好的晶體管靜電特性。掩埋式氧化物層降低了源極和漏極之間的寄生電容，并且有效地限制了從源極流向漏極的電子，顯著降低了性能下降的漏電流。

BULK

FD-SOI

 圖BULK和FD-SOI對(duì)比示意（圖源意法半導(dǎo)體官網(wǎng)）

FD-SOI能實(shí)現(xiàn)有效的晶體管控制

在bulk技術(shù)中，由于寄生電流泄漏和晶體管幾何尺寸縮減會(huì)降低效率，體偏置非常有限。全賴FD-SOI中的晶體管結(jié)構(gòu)及其超薄絕緣體層，偏置效率得到了顯著的提升。此外，掩埋式氧化物的存在使偏置電壓得以進(jìn)一步增強(qiáng)，從而形成了對(duì)晶體管的突破性動(dòng)態(tài)控制。當(dāng)基板的極化為正時(shí)，即正向體偏置 (FBB)，此時(shí)可以加快晶體管的切換速度。由此提供了一種能夠優(yōu)化性能和功耗的強(qiáng)大技術(shù)。易于實(shí)現(xiàn)的FBB可在晶體管操作期間動(dòng)態(tài)調(diào)制，為設(shè)計(jì)者帶來(lái)極大的靈活性，從而能在需要時(shí)更快地設(shè)計(jì)電路，并在性能要求較低的場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

無(wú)論任何級(jí)別，均能高效表現(xiàn)