dfx半导体技术 FD-SOI技术产业链及市场简析｜半导体行业观察

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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FD-SOI技术产业链及市场简析｜半导体行业观察

来源：本文由半导体行业观察（ID：icbank），转载自「朱雷战略研究室」上海微系统与信息技术研究所公众号：SIMIT战略研究室，谢谢。

一、简介

UTBB-FD-SOI，简称FD-SOI，是一种基于两大创新来实现平面晶体管结构的工艺技术：一是在体硅中引入了超薄的埋氧（BOX）层，作为绝缘层；二是用超薄的顶硅层制造出全耗尽的晶体管沟道。FD-SOI最大的特点是可以在无需全面改造设备结构、完整性和生产流程的前提下实现摩尔定律下的芯片面积微缩、能耗节省、性能提升及功能拓展。FD-SOI晶体管的结构如图1所示。

二、全球产业发展状况

（1）技术瓶颈突破阶段（2000~2011）

FD-SOI技术是由伯克利的前任教授胡正明在2000年发明的。和体硅技术相比，FD-SOI可以实现对纳米节点工艺制程下晶体管电流的有效控制和阈值电压的灵活调控，因而21世纪伊始，以Leti、Soitec、STM为代表的欧洲半导体科研机构和公司开始投入该技术的研发。

图2 DIBL的减小量随顶层硅和BOX厚度变化的关系

早期大量的电学仿真结果表明，同时减小FD-SOI衬底的BOX厚度和顶层硅厚度能够降低晶体管的漏致势垒降低（DIBL）程度（图2）；但是当时市面上没有商用的FD-SOI衬底，具有超薄顶硅、超薄BOX的晶体管结构是通过Silicon-on-Nothing（SON）方法在体硅上首次实现的（图3）；2006年Soitec研发出满足商用的高质量FD-SOI衬底之后，STM联合Leti、Soitec开发出基于28nm节点的FD-SOI晶体管，实现了真正的FD-SOI器件的制备（图3）。从那时起，SOI技术的发展环境才得以日益改善。2007年SOI联盟成立以来，越来越多的公司和机构开始加入到推广FD-SOI技术的队伍中，从此，FD-SOI技术才开始走向商业化的道路。

总体上，早期的FD-SOI技术处于初期探索阶段，取得了一定的关键技术突破，但没有出现具有市场竞争力的产品，代表性的仅是Oki Electric采用FD-SOI技术开发出用于低功耗手表的微控制器；而同时代的Intel 于2011年推出了商业化的FinFET技术，该技术大规模应用于从Intel Core i7-3770之后的22nm级的高性能处理器产品中。之后TSMC采用FinFET技术也取得了巨大的成功，FD-SOI失去了占领市场的黄金时间窗口。彼时FD-SOI没有形成具备商业性质的产业链的瓶颈在于衬底的供应：高产能、高质量的FD-SOI衬底制备技术仍不成熟；FD-SOI衬底的价格（$400–$500）比体硅（$130）高三到四倍，衬底成本因素也限制了FD-SOI的市场拓展。

图3 STM及合作伙伴制备薄膜（顶硅和BOX）上晶体管方法的演进过程

（2）产业链加速完善阶段（2012~今）

从2012年开始，FD-SOI技术的生态系统在以下几个方面逐步壮大。

FD-SOI衬底供应：最近几年，正是由于FD-SOI衬底材料取得了突破性进展，特别是超薄BOX（20nm量级）及超薄顶硅（10nm量级）的衬底投入应用，使得纳米级FD-SOI CMOS迅速发展。Soitec是最早（2013年）实现FD-SOI衬底片成熟量产的公司，也是目前FD-SOI衬底的主要供应商，其300mm晶圆厂能够支持65nm、28nm、22nm及更为先进的节点上大规模采用FD-SOI技术（图4）。为了因应市场的长期需求，Soitec实施了三大策略，包括：①实施技术授权，快速扩充产能。Soitec于2012年和2013年先后将Smart-Cut技术授权给日本SEH和美国SunEdison；②与代工厂强强联手，巩固供应链。Soitec宣布了与Globalfoundries（GF）签署一项为期五年的协议，确保对后者供应充足的先进FD-SOI衬底片；③加大资本投资，规划全球建厂。2017年，Soitec宣布未来两年将投资4000万欧元将FD-SOI衬底片的产量提升到1.5M片/年，另外1.5M片/年的产能也已经列入第三阶段的扩充计划（图4）。

图4 Soitec FD-SOI衬底产品路线图及产能计划

FD-SOI代工工艺：一直推动并采用FD-SOI工艺的STM于2012年推出了28nm FD-SOI工艺平台。STM之所以选择28nm节点切入，是出于工艺制造成本考量（图5）。从那时起，集成电路行业才真正将FD-SOI技术纳入未来物联网等领域的技术解决方案行列。随后2014年，STM将该技术平台授权给三星。三星目前已拿下NXP SoC芯片代工订单，预计2019年推出下一代18nm FD-SOI技术。

图5 不同工艺节点的栅极成本

作为行业三大衬底代工厂商之一，GF这几年在推广FD-SOI技术发展中起到举足轻重的作用，其于2015年提出的基于22nm的FD-SOI代工平台22FDX已经获得超过135家客户的青睐，其中部分客户已经进入多项目衬底（MPW）试产或正式投片。基于22FDX的成功，2016年，GF研发出新的12nm FD-SOI工艺技术12FDX，实现了业内首个多节点FD-SOI路线图。此外，为了加强22FDX SoC技术生态系统建设、缩短产品上市时间，GF推出新的合作伙伴项目，称为FDX celerator，该项目现有35个合作伙伴，涵盖半导体产业链上下游业者，包括：自动化设计工具（EDA）、设计元素（IP）、平台 (ASIC)、引用方案（系统IP，引用型设计）、资源（设计咨询，服务）、产品封装和测试（OSAT）方案等厂商。FD-SOI制备工艺的成熟，促使GF不断增大产能，以满足全球客户对22FDX的需求。在中国，GF和成都已宣布合资建造晶圆厂，计划二期建造22FDX工艺生产线。另外，GF计划到2020年将其位于德国德累斯顿的Fab 1工厂的产能扩大40％。未来GF每年将拥有超过200万个FD-SOI晶圆的产能。

FD-SOI设计服务：目前，众多EDA公司正积极研发与FD-SOI相关的IP。芯原微电子从2013年就与STM在ST28nm FD-SOI上合作、2014年开始和三星在SEC28nm FD-SOI上合作、2015年开始和GF在GF22nm FD-SOI上合作，现在能够在28nm和22nm提供IP平台和设计服务；Cadence和Synopsys也已有经过验证的FD-SOI IP；在GF推出22nm FD-SOI代工平台后，ARM、Mentor等也纷纷表示支持，着手开发基于FD-SOI的IP；芯片设计业者联发科、瑞芯微等也宣布采用FD-SOI工艺。FD-SOI产品应用：在STM、三星的推动下，采用28nm FD-SOI制程的产品现在已用于包括IT网路、伺服器、消费电子、物联网等领域。成功案例包括NXP/飞思卡尔的i.MX7和i.MX8和其它8款应用处理器平台、索尼的新一代的GPS、Eutelsat Communications推出的新一代交互式应用SoC等；22nm FD-SOI制程的产品又拓展到了汽车电子领域，比如Dream Chip推出业界首款用于汽车计算机视觉应用的ADAS SoC芯片。

图6 FD-SOI产业链

图7 FD-SOI产业发展里程碑事件

经过近5年的发展，FD-SOI联盟已经在全球逐渐打造出完整的产业链（图6），覆盖应用、IC设计、代工、封测、材料等各个环节，具备了一定的产业基础。FD-SOI产业链的建立得益于几个里程碑的事件（图7）：①Soitec突破了高质量衬底的技术瓶颈；②STM、GF等陆续建立了28nm、22nm及以下节点代工平台；③GF通过FDX Celerator项目吸引了众多IC设计、EDA、IP等上游公司加入FD-SOI阵营。

（3）中国的FD-SOI产业链建设（2013~今）

为了实现本土半导体的弯道超车，中国从2013年就开始关注和布局FD-SOI技术，为全球FD-SOI生态的建立做出了重要的贡献，具体事件包括：①2014年，上海新傲科技获得了Soitec Smart-Cut技术授权。目前新傲科技已实现了8寸SOI衬底片量产，未来计划投资超过20亿人民币，利用二期工厂推出12寸FD-SOI产品；②上海NSIG在2016年宣布收购14.5%的Soitec股权，促进FD-SOI在中国的商业化；③GF 2017年宣布在成都兴建12寸22FDX FD-SOI代工厂，并与成都市政府合作以6年时间建立一个累计投资规模超过1亿美元的“世界级的FD-SOI生态系统”；④中国的瑞芯微、上海复旦微电子，以及湖南国科微较早前已经宣布采用22nm FD-SOI工艺设计物联网芯片等。

目前中国FD-SOI产业链布局已经初具端倪；但是，衬底和代工厂尚未进入规模化量产阶段，IC设计公司尚处在MPW的设计验证阶段，并且客户数量较少，仍无法支撑FD-SOI工艺的成熟。

三、市场预测

基于目前FD-SOI产业链的发展现状，对FD-SOI产品的市场规模做了一个统计，并对未来几年的市场规模进行预测。

图8 FD-SOI产品潜在的市场规模（柱状图）和占全球半导体的市场份额（折线图）预测

随着未来物联网、无线通信、汽车电子等对高性能、低功耗芯片需求的增长，未来几年FD-SOI市场规模将会从2015年的0.7亿美元增长到2020年的超过40亿美元，年平均增长率为68%；从工艺节点来看，基于现有成熟的28nm和22nm节点的FD-SOI市场将维持稳健的增长。到2020年，12nm节点以下的FD-SOI产品将贡献一半的市场份额；从市占比看，FD-SOI在全球半导体的市场份额会从2015年的0.2%增长到2020年的接近10%。2017年之后先进FD-SOI工艺平台的建立以及产业链的逐渐完善等，促使FD-SOI市场发生跳跃式地激增。可见，未来FD-SOI技术市场前景可期。

赛灵思FPGA方案为何赢得竞争对手盟友青睐？XDF将给出答案

当下，芯片厂商对于能够给客户提供系统级解决方案和相应附加值的关注程度和热情前所未有。无论是行业老牌企业，还是创业公司，无论是行业排名前列，还是处于岌岌无名阶段，都越来越深刻地意识到：简单地卖芯片，已经很难保证自身在市场上的竞争力。

业内的大牌芯片企业，凭借多年的技术、经验和资金积累，可以全方位地加强自身的竞争力砝码，如提供更加系统化的硬件资源和支持水平，研发更加易用的软件系统，以吸引更多开发者，另外，除了提供更加全面的产品支持外，这些拥有更多资源的企业，越来越多地通过各种线下和线上的活动，如各种开发者大会，线上论坛等，也可以提供更多的附加价值，并吸引更多的潜在用户。在这些方面，赛灵思（Xilinx）、英伟达和英特尔表现尤为突出。

以赛灵思为例，该公司自2017年开始，就正式进入了转型期，不再单一销售FPGA芯片，而是提供系统级解决方案，而且，满足各种应用需求的硬件产品，特别是异构的自适应平台ACAP陆续推出。而在软件层面，该公司刚刚推出了可以统一多种接口的软件平台Vitis，以求方便软件开发者了解和使用FPGA硬件系统，从而扩大影响力和用户数量。

赛灵思原本是一家很低调的公司，在半导体资本市场鲜有动作。但最近两年，该公司频频出手，收购、投资具有发展潜力的朝阳企业，近一年就做了4个并购案，特别是在AI领域，在2017年开始投资中国的深鉴科技，并于2018年对其进行了收购，该公司的创始人姚颂也加入了赛灵思公司，主要负责AI的推广工作。

此外，赛灵思还于2017年推出了XDF（赛灵思开发者大会），这一线下活动已经在全球主要地区举办了两届，影响力逐年提升，今年将举办第三届，首站在美国，已经于今年的10月初举行，接下来的第二站在欧洲荷兰，第三站的亚洲大会将于12月初在北京举行。

XDF北京呼之欲出

据赛灵思人工智能高级总监姚颂介绍，近几年，为了吸引更多的开发者，赛灵思花了很大力气去推广XDF。在2017年首届的北京站，会场里面大概500人，主要是传统的FPGA开发者，而2018年的第二届，XDF整体格调，以及产品发布变化很大，最重要的事情是推出了ACAP和FaaS，并且被AWS云计算采用，之后，阿里云、腾讯云、华为云也都采用了该方案。最新消息显示，微软也选择了赛灵思的产品部署，这一点很不容易，因为微软和英特尔是一个很强的联盟，他现在在展台上展示赛灵思的异构计算平台，对产品的优质性能是很有说服力的。姚颂表示：“微软是所有云服务大公司里面用FPGA最多的，他之前用的最多是Altera（已经被英特尔收购）的芯片，最近一年，我们确实在产品实力上有很大的提升，他们被收购以后，发展速度相对放缓，所以微软也选择了赛灵思的方案。”

今年，第三届XDF亚洲站将在北京国家会议中心举行，预计有超过2000人参加，原来是一天内容，现在有两天。同时有八、九个会场进行不同的活动，两天总共75场报告，40多个小时的实验室训练，会教开发者用最新的Vitis软件搭建5G或者深度学习应用。除了赛灵思公司的讲解之外，还会有很多行业和学术界人士来讲演，比如微软会讲他们的云计算怎么使用，亚马逊讲AWS怎么使用，在ADAS里面怎么使用，在5G里面怎么使用，等等。大家会分享在不同领域能够怎样把这个东西用起来，取得怎样的效果。

在10月1、2号的XDF北美站，总共有1000多名开发者参加，并首次组织了AI大咖讲坛，请到了4位AI知名学者，例如：韩松是MIT助理教授，他是深度压缩的提出者，带领深度学习的学界，开展从追求算法精度到追求最好的性价比这样一个工程；jason cong，他是美国工程院院士，UCLA杰出校长讲席教授，他自己做了多年深度学习研究工作，他之前连续做过三个公司，两个被赛灵思收购，一个被Synopsys收购，最近又做了一家公司file compuing；Kurt Keutzer教授，原来是Synopsys的CTO，现在是Berkeley教授，原来是Deep Scale创始人，他在企业做了多年以后回到学术界，他说自己做过12个创业公司，8个被收购或者上市，非常了不起。他做报告的当天中午，特斯拉收购了他创立的自动驾驶公司Deepscale；陈天奇是MXNet、TVM、Xgboost的开创者，是在深度学习领域相当有影响的学者。

对于今年的XDF北京站，姚颂表示：“我会邀请5~6位AI学者来做分享，现在能够确定MSRA、阿里、清华的嘉宾，还有一些在持续邀请当中，因为还有一个多月，我们请完了以后会尽快公布。今年会有非常大的突破，包括整个规模和内容，还有数量，参与者非常广泛。我们把底层开发、系统开发、应用开发都融入了Vitis，不管是开发大数据应用还是深度学习算法，或是软件与系统层设计，以及做IP的、写底层代码来做一些高速接口和5G开发，所有这些开发者都可以在XDF期间找到想要的内容。”

据悉，今年的XDF，除了Keynote和分论坛外，会为分硬件、软件、数据中心、垂直应用以及AI这几个板块，覆盖领域非常广泛，不仅有AI、机器学习、工业、数据中心，还包括航空航天、汽车、消费电子、仿真、高性能计算、边缘计算。所有需要用计算平台的从业者，都可以来听听，不管你是学生、底层开发者，或者软件应用开发者，都能所到需要的内容。

另外，在今年的XDF上，关注汽车电子的开发者会进一步了解到赛灵思在汽车方面的应用案例。实际上，赛灵思在汽车行业有很多客户，而这并不被广大业者所熟知，这里或许会刷新你在这方面的认知。截止到2018年底，赛灵思在汽车行业出货了1.6亿颗芯片，其中，5600万颗是用于ADAS的，比如博世开发的ADAS系统，都是用赛灵思FPGA做的。

据姚颂介绍，今年的XDF亚洲站在北京举行，在一些细节上会体现对中国客户的重视，以及赛灵思自己对这些客户的态度。

系统级高附加值方案

对于FPGA，赛灵思希望用户能够像玩乐高一样简单地对其进行操作和应用，为此，该公司用统一的软件、各种各样的IP和解决方案让用户类似于拼积木，或者只需要写非常简单的代码就能够把整个应用搭起来，并实现终极的ACAP，用异构、统一的软件平台等方式进行加速，以期实现最好的效率。

以上这些也是赛灵思要在XDF重点推介的理念和解决方案。

目前，对于广大开发者来说。软件开发环境是个很大的挑战，这在中国尤为明显，软件层面需要花很大的功夫，因为开发成本是除了硬件成本以外，很大的一部分开销。而在广大的开发者群体当中，大多是软件开发者，他们用的多是JAVA、C、Python、C++等语言，而会用、常用VHDL等硬件语言的人数相对稀缺。这就需要FPGA厂商想办法将那一大部分软件开发者吸引过来，在不会使用硬件描述语言的前提下，会用、喜欢用，进而离不开以FPGA为基础的开发环境，这就需要厂商提供一套丰富的、简单易用的软件开发平台。不过要实现这样的平台绝非易事，它虽然方便了开发者，但对于开发这套软件平台的厂商来说，是个不小的系统工程。

赛灵思于近期发布了一个全新的软件平台Vitis。以前的FPGA有不同的软件开发环境，前几年大家用Verilog，后来，FPGA用于云端加速，有了开发环境SDAccel，这是用在PC插卡式的加速环境。赛灵思在2013、2014年开始推ZYNQ SoC。现在，该公司希望把不同开发者所对应的东西融合到一起，用Vitis来统一成一个完整的软件接口。这类似于英伟达开发的程序，下端的适配英伟达都会帮助开发者做好，实现在不同的版卡、不同的版本上运行都非常顺畅，这也是赛灵思正在做到的事情。

在异构方面，

摩尔定律放缓，使得业内很多公司都在转型。这几年，赛灵思一直在异构的道路上坚定前行，其SoC产品出货量逐年攀升，去年又发布了自适应平台ACAP。

异构计算可以实现FPGA的乐高玩法，FPGA可以搭各种逻辑结构。姚颂表示：“我们希望做到的事情就是为了让开发者更多，让开发变得更简单，用户打造应用的时候，只需要把流水线上各种不同的IP核拼到一起，就能够实现很好的性能。所以，现在赛灵思的整个体系是一个倒三角形（如下图所示），最下面的基石是芯片和板卡，这是硬件部分，上面是开发环境，再往上我们提供很多第三方支持，包括赛灵思收购和投资的公司。”

上周五，赛灵思发布了第二季财报，该公司SoC营收同比增长了61%，看来，其从器件到平台公司转型的战略成效显著。另外，该公司以ACAP为代表的先进产品销售同比增长了大概27%。这也坚定了其异构ACAP的发展方向。

在按区域划分的营收方面，其51%的份额来自亚太，而且不包括日本，如果加上日本，该公司在亚太地区占有的比重非常高。这也从一个侧面说明了XDF亚洲站的重要性。

结语

整个半导体行业发展史都是由各种各样的应用在驱动，20年前是PC，10年前是移动电话，现在是AI和5G。姚颂表示：“我们一定要做芯片层面、软件层面和系统层面的变化，我们看到英伟达等公司在做改变，赛灵思也正走在这样的道路上。我们去年发布了ACAP，今年发布了Vitis，而在今年的XDF北京站，也将有新的发布。”

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第2111期内容，欢迎关注。

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