新聞中心

EEPW首頁 > 嵌入式系統(tǒng) > 編輯觀點 > 意法半導體為MCU開啟FD-SOI時代

意法半導體為MCU開啟FD-SOI時代

作者:lijian 時間:2024-03-29 來源:EEPW 收藏

2024年3月26日,(STMicroelectronics,簡稱ST)宣布了基于 18 納米全耗盡絕緣體上硅() 技術并整合嵌入式相變存儲器 (ePCM)的先進制造工藝,支持下一代嵌入式處理器升級進化,并將此技術應用在通用32位市場領先的系列產品。作為技術的主要貢獻者,這次聯(lián)合三星晶圓代工廠共同開發(fā)新技術,助力嵌入式處理應用的性能和功耗實現巨大飛躍,同時可以集成容量更大的存儲器和更多的模擬和數字外設。據悉,基于新技術的下一代 中端微控制器的首款產品將于 2024下半年開始向部分客戶提供樣片,2025 年下半年排產。

本文引用地址:http://2s4d.com/article/202403/457006.htm

作為同為胡正明團隊研發(fā)的技術,平面的和3D的FINFET各有特點,傳統(tǒng)的美系半導體廠商選擇了FINFET提升集成電路密度,為了尋求差異化道路,以為主的歐洲公司則嘗試FD-SOI技術以尋求差異化競爭之路。由于其高性能、低功耗、高集成度和良好的熱穩(wěn)定性,FDSOI在移動設備、物聯(lián)網和人工智能等領域具有廣泛的應用前景。此次ST將FD-SOI率先引入領域,很重要的一個原因得益于ST在FD-SOI技術上擁有豐富的設計開發(fā)經驗。ST于2012年推出了28納米FD-SOI的手機AP產品,該工藝來自于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%,當年基于該技術的那顆ST-Ericsson的AP相比其他同期產品性能提升高達20%以上。

圖片.png

在FDSOI的產業(yè)鏈條中,ST擁有足夠的話語權和產品經驗

那么這次將FD-SOI技術帶入MCU又將給系列MCU帶來哪些優(yōu)勢呢?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器 (eNVM) 技術相比,集成 ePCM 的18nm FD-SOI制造工藝極大地提高了關鍵的品質因數:

·         性能功耗比提高 50% 以上;

·         非易失性存儲器 (NVM)密度是現有技術的2.5 倍,可以在片上集成容量更大的存儲器;

·         數字電路密度是現有技術的三倍,可以集成人工智能、圖形加速器等數字外設,以及最先進的安全保護功能;

·         噪聲系數改善 3dB,增強了無線 MCU 的射頻性能。

該技術的工作電源電壓是3V,可以給電源管理、復位系統(tǒng)、時鐘源和數字/模擬轉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體工藝技術。該技術的耐高溫工作、輻射硬化和數據保存期限已經過汽車市場的檢驗,能夠滿足工業(yè)應用對可靠性的嚴格要求。

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

最直接的原因就是技術優(yōu)勢,眾所周知半導體工藝每前進一代性能都會有所提升。如果按密度來算,目前ST所采用的40nm算是45nm的半代工藝節(jié)點,而最先進的28nm工藝是32nm工藝的半代節(jié)點,兩者恰好相差一代。目前從45到28是主流MCU最常見的工藝節(jié)點,一方面是技術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,相比于28nm又前進了一代,從工藝上說要比現在的40nm提升了兩代,無論是密度還是功耗都會有明顯的提升。如果能把成本控制好,2代工藝差帶來的性能和功耗優(yōu)勢無疑是顯而易見的。雖然這次是和三星共同開發(fā)的技術,但ST在整個FDSOI產業(yè)鏈的重要性幾乎是無可取代的,而目前ST擁有在產量最大的FDSOI芯片,現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未來轉向采用18nm的FDSOI,這種級別的產能足夠填滿一條300mm晶圓線。我認為,ST是經過了詳細的評估才會決定邁出這一步的,畢竟平面工藝的成本提升要比采用3D工藝小很多,因此成本方面帶來的提升應該足夠被性能和功耗方面的優(yōu)勢抹平。畢竟按照ST官方公告,新工藝的性能功耗比可以提升50%,這個優(yōu)勢帶來的市場影響力有多震撼可想而知。

第二個原因是差異化和無奈的選擇。由于大部分代工廠追求先進工藝,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)點主流采用的都是FINFET工藝。MCU因為其特殊性和成本壓力,短期內是無法支撐起FINFET的高價格和對模擬與存儲單元的排斥性。從制程工藝成本和分布來看,FD-SOI可能是MCU工藝前進到1xnm級別無奈的選擇。我相信當2021年STM32即將登頂32位通用MCU市場份額之際,ST就已經開始布局如何在差異化并不明顯的Arm核MCU市場中尋找全新的差異化手段了,而選擇自己最擅長的FD-SOI進軍1xnm級別工藝,這看似無奈的選擇反而可能會更加鞏固STM32在MCU市場的優(yōu)勢,畢竟身后幾個競爭對手短期內可能沒有如此成熟的應對FDSOI的經驗。

第三個原因應該說符合MCU發(fā)展的客觀趨勢。隨著MCU內核性能不斷提升,在中高端MCU市場的差異化和主流發(fā)展趨勢就是更大的存儲容量和更多的模擬功能外設集成,特別是對集成無線功能的MCU來說簡直是如虎添翼。恰好FD-SOI技術一個特點就是擁有更好地模擬和射頻技術親和力,并且在ST的官方介紹中,eNVM到ePCM的進化能大幅提升片上存儲的容量,這會再次提升STM32 MCU的競爭力,以及在部分需要配合模擬功能的場合擁有更好的先天優(yōu)勢,比如電機控制系統(tǒng)、數字電源和安全系統(tǒng)。另一個關鍵點是,FDSOI工藝在抗高溫和抗輻射方面也有出色表現,毫無疑問會增加STM32系列在苛刻的工業(yè)應用甚至汽車和航空航天應用的競爭優(yōu)勢,對剛剛將汽車微控制器和通用微控制器部門合并的ST來說未來FDSOI應用于汽車MCU并不遙遠。當然,能夠集成更多片上存儲空間的消息可能對跟ST直面競爭的國內MCU老大并不友好,畢竟這家國內巨頭一個競爭優(yōu)勢就是在存儲容量方面擁有不小的領先。

如果說STM32系列的成功是借Arm核MCU生態(tài)優(yōu)勢的東風乘勢而起,那么站穩(wěn)市場老大地位并且剛剛合并了通用和汽車MCU的ST下一步要鞏固市場優(yōu)勢就必須要尋求差異化,從而繼續(xù)鞏固并擴大自己的市場領先優(yōu)勢,目前看ST給出了一個最值得市場震撼的選擇,這個選擇短期內甚至讓其競爭對手都很難跟進。既然ST可以用40nm工藝將M0+內核的功耗做到14nA級別,那么我們是否可以期待18nm工藝的STM32再次刷新32位MCU的各種數據極限呢?

圖片.png

FDSOI適合更多的集成和模擬、功率應用

 

附錄

FDSOI技術簡介

FD-SOI是一種平面工藝技術,依賴于兩項主要創(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,通過超薄的硅膜實現晶體管溝道。由于其厚度超薄,無需摻雜溝道,即可使晶體管完全耗盡。這兩項創(chuàng)新的結合被稱為“超薄體和掩埋式氧化物全耗盡型SOI”或UTBB-FD-SOI。

圖片.png

圖FD-SOI結構示意圖(來源意法半導體官網)

和體硅技術相比,FD-SOI可以實現對納米節(jié)點工藝制程下晶體管電流的有效控制和閾值電壓的靈活調控。FD-SOI通過構造實現了比傳統(tǒng)bulk技術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。

圖片.png

BULK

圖片.png

FD-SOI

 圖BULK和FD-SOI對比示意(圖源意法半導體官網)

FD-SOI能實現有效的晶體管控制

在bulk技術中,由于寄生電流泄漏和晶體管幾何尺寸縮減會降低效率,體偏置非常有限。全賴FD-SOI中的晶體管結構及其超薄絕緣體層,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一步增強,從而形成了對晶體管的突破性動態(tài)控制。當基板的極化為正時,即正向體偏置 (FBB),此時可以加快晶體管的切換速度。由此提供了一種能夠優(yōu)化性能和功耗的強大技術。易于實現的FBB可在晶體管操作期間動態(tài)調制,為設計者帶來極大的靈活性,從而能在需要時更快地設計電路,并在性能要求較低的場景中實現節(jié)能。

無論任何級別,均能高效表現

模擬和射頻設計的優(yōu)勢

FD-SOI為模擬設計帶來諸多優(yōu)點。通道的總介電隔離允許較低的柵極電容和漏電流,以及閂鎖抗擾性。此外,與bulk技術相比,全耗盡型晶體管中不存在溝道摻雜和口袋型離子注入,因此產生的噪聲更低,且增益更高(高達+15dB)。

最終,這些特性都將轉化為更小巧、更簡單的模擬電路,在更低的工作功率下具有更高的性能。

卓越的功率效率

FD-SOI中改進的靜電特性和介質隔離帶來了兩大主要優(yōu)勢。首先,可在低電壓下維持具有競爭力的運行速度。其次能實現更有效的體偏置,提供對通道的深度控制,并能優(yōu)化被動和動態(tài)功耗

輻射抗擾度

由于其超薄的機身和掩埋式氧化物,FD-SOI技術憑借其構造,能夠有效應對輻照錯誤(如位翻轉或鎖存),為高性能的片上系統(tǒng)帶來額外的可靠性,同時節(jié)省了面積(如簡化SRAM的ECC策略)。

除了FD-SOI技術的固有優(yōu)勢外,20多年來,意法半導體一直在開發(fā)一整套用于 設計抗輻照電路的技術。我們在輻照建模、設計和測試方面積累了豐富的專業(yè)知識,能幫助客戶針對安全、 汽車ADAS、航天、工業(yè)、醫(yī)療和網絡等高要求細分市場提供準抗擾電路。

存儲器優(yōu)勢

FD-SOI與意法半導體獲得專利的“單孔”位單元架構相結合,極大地提高了SRAM存儲器性能,能夠在低電壓和極低泄漏下運行,同時保持與傳統(tǒng)bulk SRAM相似的讀/寫速度。



評論


相關推薦

技術專區(qū)

關閉