FD-SOI: 下一代NovaThor平臺的助力器

隨著智能手機(jī)功能最近不斷升級演化，消費(fèi)者的期望值日益攀升。速度更快的多核高主頻CPU處理器、令人震撼的3D圖形、全高清多媒體和高速寬帶現(xiàn)已成為高端手機(jī)的標(biāo)配。同時(shí)，消費(fèi)者還期望手機(jī)纖薄輕盈，電池續(xù)航能力至少與以前的手機(jī)持平。對于手機(jī)廠商和設(shè)計(jì)人員來說，消費(fèi)者的期望意味著移動(dòng)芯片需具備優(yōu)異的性能，同時(shí)兼具低成本和低功耗。全耗盡平面晶體管技術(shù) (FD-SOI：Fully Depleted Silicon on Insulator)，是滿足這些需求的最佳解決方案。

在2012年移動(dòng)通信世界大會上(Mobile World Congress)，意法.愛立信首席執(zhí)行官Didier Lamouche證實(shí)我們的下一代NovaThor平臺，即NovaThorL8540的后續(xù)產(chǎn)品，將采用28nm FD-SOI制造工藝。

FD-SOI技術(shù)目前已經(jīng)可供芯片開發(fā)使用，該技術(shù)將會使28nm工藝制程的芯片產(chǎn)品在性能和功耗方面有顯著的提升。因?yàn)楣に噺?fù)雜程度相對較低，F(xiàn)D-SOI解決了制程升級、泄漏電流和可變性等問題，能夠?qū)MOS制程節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步降至28nm或28nm以下。

像FinFET技術(shù)一樣，F(xiàn)D-SOI最初是為20nm節(jié)點(diǎn)及以下開發(fā)設(shè)計(jì)的，能夠突破傳統(tǒng)體效應(yīng)CMOS制程升級的限制因素，例如，高泄漏電流和終端設(shè)備多樣性的難題；但是，又與FinFET技術(shù)不同，F(xiàn)D-SOI保留了傳統(tǒng)體效應(yīng)CMOS工藝的平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜度相對較低的優(yōu)點(diǎn)，這可加快工藝開發(fā)和量產(chǎn)速度，降低現(xiàn)有設(shè)計(jì)的遷移難度。意法愛立信、意法半導(dǎo)體、Leti 和Soitec的技術(shù)合作讓我們能夠在28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)揮FD-SOI的優(yōu)勢：先進(jìn)性能、具有競爭力的處理速度/泄漏電流比和優(yōu)化能效。文章第一部分主要討論性能，第二部分將討論其它兩個(gè)優(yōu)勢。

在寬電壓范圍內(nèi)性能領(lǐng)先

下圖比較了在慢工藝角（SS）和環(huán)境溫度最惡劣時(shí)ARM Cortex-A9 CPU內(nèi)核的一個(gè)特定關(guān)鍵通道能夠達(dá)到的最高頻率－Vdd電源電壓曲線。

每條曲線代表一個(gè)特定的28nm制程：

. 28HP-LVT是用于移動(dòng)設(shè)備的高性能體效應(yīng)CMOS工藝，瞄準(zhǔn)高性能移動(dòng)設(shè)備CPU，具有處理速度快和柵極氧化層薄的特點(diǎn)，因此，從可靠性看， Vdd 過驅(qū)動(dòng)能力有限(~1.0V)。

. 28LP-LVT 是一種低功耗的體效應(yīng)CMOS 工藝，過去用于低功耗移動(dòng)應(yīng)用，LP 基于柵氧化層更厚的晶體管，支持更高的過驅(qū)動(dòng)電壓（高達(dá)1.3V）。

. 28FDSOI-LVT是意法半導(dǎo)體開發(fā)的28nm FD-SOI工藝，柵極結(jié)構(gòu)與28LP相似，也支持1.3V過驅(qū)動(dòng)電壓。

在這三種工藝中，只考慮低壓閾值(LVT)，因?yàn)樘幵谶@樣的電壓下時(shí)處理性能最高。

1. 首先觀察到的是，在標(biāo)稱電壓(HP＝0.9V，LP＝1.0V，F(xiàn)D-SOI＝1.0V)時(shí)，F(xiàn)D-SOI的峰值性能與HP工藝相似；在Vdd電壓相同時(shí)，性能比LP高35%。

2. 此外，隨著Vdd 電壓升高，F(xiàn)D-SOI的性能進(jìn)一步提高，而 HP 工藝無法承受更高的電壓，因此，前者的綜合峰值性能高于后者。

3. 在工作電壓過低時(shí)，如Vdd=0.6V, LP將無法運(yùn)行或性能很低；FD-SOI與HP工藝相當(dāng)甚至高于HP工藝，但是前者的泄漏電流和動(dòng)態(tài)功耗要比后者低很多，我將在后面的內(nèi)容中給予說明。

4. 相比體效應(yīng)CMOS工藝，F(xiàn)D-SOI的工藝可變性低，在適合CPU處理非密集型任務(wù)的頻率(200MHz-300MHz)時(shí)，能夠支持更低的工作電壓（最低0.5V），例如，硬件加速音、視頻播放。

因此，在寬Vdd電壓范圍（0.5V 至 1.3V）內(nèi)，F(xiàn)D-SOI的綜合性能高于移動(dòng)處理器專用的體效應(yīng)CMOS工藝，這些性能優(yōu)勢可用于提高峰值性能，或者在保證性能不變的前提下降低Vdd工作電壓，從而降低動(dòng)態(tài)功耗。

FD-SOI: 下一代NovaThor平臺的助力器(第二部分)

在前一部分，我們探討了FD-SOI工藝在性能－電壓比方面的技術(shù)優(yōu)勢，接下來，我們將分析另外兩大優(yōu)勢：具有競爭力的處理速度/泄漏電流比和優(yōu)化能效。

具有競爭力的處理速度/泄漏電流比

FD-SOI工藝不僅帶來前文所述的性能優(yōu)勢，還具有同級產(chǎn)品最低的泄漏電流，下圖示是前文圖示的ARM Cortex-A9 關(guān)鍵通道在85°C時(shí)典型泄漏電流與最高頻率之比。以系統(tǒng)的方法分析，當(dāng)泄漏電流相同時(shí)，F(xiàn)D-SOI在標(biāo)稱電壓(1.0V)時(shí)的運(yùn)行頻率高于標(biāo)稱電壓(1.0V)時(shí)的LP工藝或標(biāo)稱電壓(0.9V)時(shí)的HP工藝。

淺藍(lán)色曲線代表Vdd=0.9V條件下的FD-SOI 泄漏電流/速度曲線，這意味著FD-SOI可讓我們降低標(biāo)稱 Vdd 電壓(對動(dòng)態(tài)功耗影響巨大的參數(shù))，同時(shí)保持與LP和HP工藝相同的或更高的性能。然后，如藍(lán)色延長虛線所示，施加在LVT FD-SOI晶體管上的正向體偏壓(*) 使其能夠達(dá)到HP可達(dá)到的性能，而在施加偏壓后，多晶硅晶體管的泄漏電流增幅與LP工藝相同。

該泄漏電流/速度比優(yōu)勢是28nm FD-SOI工藝獨(dú)有優(yōu)勢，真正地融LP 和 HP兩大工藝的優(yōu)點(diǎn)于一身。

體偏壓是在CMOS晶體管的體效應(yīng)部分施加可變電壓，以提高泄漏電流為代價(jià)換取更快運(yùn)行速度（正向體偏壓），或者以犧牲性能為代價(jià)換取更低的泄漏電流（反向體偏壓）。雖然體效應(yīng)CMOS具有這項(xiàng)功能，但是，因?yàn)槁駵涎趸瘜訉⒕w管溝道與硅體效應(yīng)部分（背柵效應(yīng)）隔離，體偏壓的效果在FD-SOI技術(shù)上更加出色。

優(yōu)化能效

對高端移動(dòng)應(yīng)用來說，良好處理性能兼出色的泄漏電流還不夠，在移動(dòng)設(shè)備日常使用過程中降低不同工作模式的總功耗才是最大化電池續(xù)航能力的關(guān)鍵。

下圖描述了三種不同的 28nm 工藝的動(dòng)態(tài)功耗特性，并給出了動(dòng)態(tài)功耗－最大頻率特性曲線。

從圖中不難看出，在給定頻率時(shí)，F(xiàn)D-SOI的總功耗總是比其它兩項(xiàng)技術(shù)低很多，即便達(dá)到目標(biāo)頻率所需的電源電壓略高于28nm HP。這主要因?yàn)镕D-SOI技術(shù)的總功耗中泄漏電流較低。在整個(gè)電源電壓范圍和對應(yīng)的性能范圍內(nèi)均是如此，這充分證明，F(xiàn)D-SOI是能夠給移動(dòng)設(shè)備帶來最高能效的解決方案。

從上文可以看出，28nm FD-SOI在對于移動(dòng)計(jì)算設(shè)備極其重要的關(guān)鍵參數(shù)方面優(yōu)于現(xiàn)有的體效應(yīng)工藝，具有高性能且低功耗的優(yōu)點(diǎn)，因此，意法.愛立信選用FD-SOI設(shè)計(jì)下一代 NovaThor高性能智能手機(jī)和平板電腦平臺。