FD-SOI，半导体“特色”工艺之路能否走通？

在进入28纳米节点时，半导体逻辑制造工艺出现了分岔。一条路线走向了三维工艺，即大家所熟知的FinFET，代表厂商有台积电、英特尔和中芯国际等晶圆制造厂商；另一条路线则还在坚持平面工艺，被称为FD-SOI（Fully Depleted Silicon-on-Insulator，全耗尽硅型绝缘体上硅），代表厂商有意法半导体（STMicroelectronics）。三星电子与格罗方德（GlobalFoundries）则两条腿走路，对FinFET与FD-SOI都有布局，但三星的先进逻辑制造工艺还是以FinFET为主。

由于台积电与英特尔只选择了FinFET工艺，三星的重点投入也在FinFET工艺上，因而FinFET工艺成为28纳米及以下先进工艺的主流选择，两厢比较，FD-SOI虽然也是逻辑制造工艺，但更像是一种“特色”工艺，产业生态还比较小众，参与厂商也较少，代表性的产品还不多。不过，自意法半导体2012年建成第一条28纳米FD-SOI产线以来，历经多年发展，FD-SOI工艺的“朋友圈”在不断扩大。

多个节点选择

2014年，三星获得意法半导体28纳米FD-SOI工艺平台的授权，开始为业界提供FD-SOI代工制造服务。2015年，格罗方德推出22纳米FD-SOI工艺平台，成为当时最先进的FD-SOI制造工艺平台。

2024年3月，意法半导体和三星联合宣布推出18纳米FD-SOI工艺，该工艺集成了嵌入式相变存储器（ePCM），与28纳米FD-SOI工艺相比，显著提高了性能且降低了功耗，支持更大的存储容量，可实现高的模拟与数字外设集成。基于该工艺的新一代STM32 MCU将于2024年下半年送样，计划于2025年下半年正式量产。

所以考虑FD-SOI工艺的芯片设计公司，目前有三个节点可以选择，即28纳米、22纳米以及18纳米，分别由意法半导体、格罗方德与三星提供代工制造服务。

18纳米以下的工艺节点也在规划中。其中，格罗方德已经把12纳米FD-SOI工艺放在自己的发展路线图中，虽然路线图显示是2028年以后落地，不过格罗方德发言在第九届FD-SOI论坛上表示，预计2026年前后即可推出。

市场研究机构IBS首席执行官Handel Jones在第九届FD-SOI论坛上发表演讲时指出，与FinFET的可比较工艺相比，在28/22/18/12纳米等数个节点上，FD-SOI在功耗、成本和射频性能等方面比较有优势。而即将推出的12纳米FD-SOI工艺平台，有望借助Chiplet等先进封装技术，在数据中心市场与低功耗移动处理器市场占据一席之地。

FD-SOI的工艺进度并不会停止在12纳米，更先进的工艺节点已经在开发过程中。2024年6月，法国CEA-Leti宣布启动FAMES试验生产线，总投资约8.3亿欧元，主要研发10纳米和7纳米FD-SOI工艺在内的五套新技术，此中试线的建设，已经得到了43家公司的支持。

在这次论坛上，参会观众也对FD-SOI工艺的发展前景做出了投票，其中八成以上观众认为需要引入12纳米FD-SOI工艺。但对是否发展10纳米FD-SOI工艺则分歧更大。

丰富的IP支持

一种工艺能否被广泛应用，除了产线建设，IP支持也很重要。作为FD-SOI生态的主要参与厂商之一，芯原股份早在2013年就开始进行基于FD-SOI工艺的IP技术开发，在格罗方德22纳米FD-SOI产线22FDX建成以后，芯原也是最早支持该工艺平台的中国IP供应商。

据芯原股份创始人、董事长兼总裁戴伟民博士介绍，芯原在22纳米FD-SOI工艺上已经开发了59个模拟和数模混合IP，其中已经授权260多次，客户有40多家，在量产的项目有25个。

在射频上，芯原也为用户提供了包括蓝牙、Wi-Fi、Cat-1、NBIoT和GNSS等常用射频IP，所有IP都进行了实际流片的硅验证，并配合有相应的基带IP。

除了芯原，在这次论坛上，来自法国的Dolphin Design和上海昇贻半导体科技有限公司也展示了各自在FD-SOI上的IP产品及设计服务业务。其中Dolphin给出了基于格罗方德22FDX的音频和电源管理IP，而昇贻则为用户提供了基于22FDX标准单元库，并可以为FD-SOI芯片提供定制化开发服务。

实际上，由于和传统CMOS制造工艺差别较大，FD-SOI芯片的设计对EDA工具也有要求。芯和半导体首席执行官凌峰博士指出，从EDA的角度来看，要支持好FD-SOI的用户设计芯片，需要EDA/IP厂商与晶圆厂合作，针对FD-SOI工艺做出相应的优化与变更。例如提供针对FD-SOI工艺的PDK、提供相应IP、EDA工具在FD-SOI晶圆厂验证，以及为FD-SOI与其他工艺异质集成做好相应的工具链准备等。

落地产品日渐多样

FD-SOI工艺能否被更多厂商接受，还要看能否持续推出有市场竞争力的芯片产品。作为最早推出FD-SOI工艺的厂商，早在2013年，意法半导体就开发出过基于28纳米FD-SOI工艺的手机移动处理器。此后，意法半导体将FD-SOI工艺应用于车规MCU，其著名的Stellar系列MCU即由FD-SOI工艺制造，与传统CMOS工艺相比，用FD-SOI工艺制造出来的MCU，工作频率有显著提升，高温时的漏电流下降35%，软件安全性与可靠性方面也有更好表现。

用FD-SOI工艺的知名MCU产品，还有恩智浦公司的i.MX7与i.MX8系列、瑞萨第一款22纳米MCU基于Arm Cortex-M核的 RA系列等。其中瑞萨的这款产品，是由芯原代开发的。另外一款芯原提供设计服务的产品，累计出货已经超过6000万颗，采用了自适应体偏置技术（Adaptive Body Bias，ABB），相比28纳米体硅CMOS工艺功耗下降55%，只用2节AA电池就可支持设备运行2年。

FD-SOI工艺集成射频也有优势。所以，除了MCU/SoC，FD-SOI工艺也常用做通信芯片，例如意法半导体就将FD-SOI工艺应用于调制解调器、波束成形等无线通信产品中，索尼则将FD-SOI工艺应用于GPS芯片中。

很多新公司正在加入到FD-SOI生态圈。在本届会议上，芯思原微电子介绍了一款基于FD-SOI工艺的BLE MCU，至成微科技（浙江）有限公司则带来了一颗基于FD-SOI工艺的Wi-Fi 6和双模蓝牙的单芯片，芯港半导体介绍了用FD-SOI工艺开发的一颗物联网定位芯片。

总结

FD-SOI工艺在低功耗、射频集成、NVM存储集成、软件安全性等方面有比较优势，在多个节点上与体硅工艺相比也有成本优势，但是在主流晶圆制造厂商主要走FinFET路线以后，FD-SOI的发展速度相对较慢，尤其是能够提供制造工艺的晶圆厂还比较少，所以规模效应尚有很大的提升空间。不过伴随着意法半导体、三星与格罗方德等晶圆厂的下一代路线图的发布，作为一种“特色”逻辑工艺，FD-SOI的市场还有望持续扩大。

目前能够按照日程表迭代先进工艺的晶圆厂似乎只剩下了台积电，英特尔与三星都有点跟不上节奏，在工程极限影响下，先进工艺路线继续分岔的可能性又增加了。

而考虑到地缘政治影响，中国大陆的晶圆厂，在成本、产能、时间与供应链的约束下，走出一条有中国特色的先进晶圆制造技术路线似乎不可避免。FD-SOI发展过程中的经验与教训，可以作为有“中国特色”的先进晶圆制造技术路线的参考，这样看来，FD-SOI发展得好不好，就不是单FD-SOI生态圈的事情，而是整个半导体产业都应该关心的事情。