超低功耗DDC工藝技術(shù)幫助中國IC設計業(yè)撬動(dòng)IoT巨大商機

　　近兩年來(lái)中國IC產(chǎn)業(yè)勢力和相關(guān)資本的幾個(gè)大手筆收購事件以及IC Insight 最新榜單中兩家中國大陸IC設計公司闖入全球10強，讓今年的ICCAD(中國集成電路設計業(yè)2015年會(huì )暨中國集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新發(fā)展高峰論壇)顯得格外熱鬧和引人注目。會(huì )上，中國IC設計分會(huì )理事長(cháng)魏少軍公布，2015年中國IC設計產(chǎn)業(yè)持續擴大，銷(xiāo)售額將達到人民幣1234.16億元，將成長(cháng)25.62%，占全球IC設計產(chǎn)業(yè)32.39%。據中國半導體協(xié)會(huì )統計，中國IC設計公司目前統計有736家，較去年的681家擴大了55家。

　　中國IC設計公司成長(cháng)快速的背后離不開(kāi)一眾IC設計服務(wù)和代工廠(chǎng)的推動(dòng)，本屆ICCAD可以說(shuō)聚齊了中外IC設計服務(wù)和代工業(yè)的大半壁江山，重組一年多的富士通旗下半導體制造、測試服務(wù)公司——三重富士通半導體(MIE Fujitsu Semiconductor)，以及整合了富士通和松下電器在圖像、網(wǎng)絡(luò )等應用領(lǐng)域LSI豐富經(jīng)驗和技術(shù)優(yōu)勢的索喜科技(Socionext)就攜手亮相本屆ICCAD，向新老合作伙伴展示特色超低功耗工藝和嵌入式系統代工技術(shù)優(yōu)勢，以及從Turn-key的Customer SoC設計到具有成本效益的COT訂制的一站式服務(wù)。

　　在萬(wàn)物互聯(lián)風(fēng)起云涌的今天，中國IC設計公司也涌現出越來(lái)越多的玩家，進(jìn)入傳感器、低功耗MCU、無(wú)線(xiàn)連接等芯片方案領(lǐng)域，以追逐移動(dòng)終端應用處理器之外更加廣闊的市場(chǎng)空間，把握智能化和IoT大潮帶來(lái)的更大商機。因此，在IC工藝/制程方面也從一味追逐邁向摩爾定律的更深亞微米工藝節點(diǎn)，轉向更多討論現有技術(shù)節點(diǎn)功耗降低等方面的改進(jìn)上。

　　作為業(yè)界首家且唯一一家引進(jìn)超低電壓和超低漏電晶體管技術(shù)并可從事大量生產(chǎn)的代工企業(yè)，三重富士通半導體這次重點(diǎn)展示了自己開(kāi)發(fā)的一系列已量產(chǎn)低功耗工藝技術(shù)和一項叫做“Deeply Depleted Channel(DDC)”的新工藝技術(shù)，值得廣大IoT和嵌入式應用領(lǐng)域IC設計公司的關(guān)注，這類(lèi)工藝技術(shù)甚至可以稱(chēng)得上是幫助IC設計公司撬動(dòng)IoT億萬(wàn)商機的“支點(diǎn)”。

　　業(yè)界唯一以DDC技術(shù)達到超低電壓和超低漏電晶體管技術(shù)的代工廠(chǎng)

　　三重富士通半導體(以下簡(jiǎn)稱(chēng)MIFS)于2014 年12 月接管富士通半導體在三重工廠(chǎng)的300mm 生產(chǎn)線(xiàn)和配套設施，由此一個(gè)代工專(zhuān)業(yè)企業(yè)便應運而生。該公司將公司總部及市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)的據點(diǎn)設在日本橫濱以拓展全球性業(yè)務(wù)。

　　MIFS技術(shù)開(kāi)發(fā)部部長(cháng)倉田創(chuàng )在ICCAD主題演講中表示：“順應智能化及IoT為代表的新興市場(chǎng)的增長(cháng)、擴大趨勢，MIFS憑借超低功耗制程和內存嵌入系統的優(yōu)勢強項并以配備經(jīng)驗豐富的工程師、不斷改良生產(chǎn)、混合隔震建筑等高風(fēng)險應對能力為基礎，致力于發(fā)展為以降低功耗并控制成本為特色的代工企業(yè)，從而服務(wù)于物聯(lián)社會(huì )的技術(shù)革新?！?/p>

　　圖：三重富士通半導體技術(shù)開(kāi)發(fā)部部長(cháng)倉田創(chuàng )在ICCAD發(fā)表主題演講。

　　降低功耗并控制成本是IoT市場(chǎng)的關(guān)鍵，已成為半導體行業(yè)的最大課題之一，MIFS通過(guò)改善成本效率最為出色的平面CMOS工藝技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。MIFS覆蓋了從40-90nm節點(diǎn)的低功耗CMOS技術(shù)，提供eNVM、RF和HV多種選項，可支持汽車(chē)應用等高品質(zhì)要求的，超級低功耗應用的DDC工藝新技術(shù)是由美國SuVolta, Inc.開(kāi)發(fā),而三重富士通半導體將制程工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)完成,并開(kāi)始逐步量產(chǎn)，DDC具有在超低電壓下可保持運作的晶體管與超低漏電晶體管技術(shù)。

　　獨創(chuàng )超低功耗工藝技術(shù)——DDC解讀

　　為了減少CMOS電力的功耗就有必要降低電源電壓，而長(cháng)期以來(lái)的一般做法都是采用通過(guò)晶體管微型化來(lái)實(shí)現降低電源電壓。 但在90nm時(shí)代以后，由于晶體管的雜質(zhì)不均引起閾值的電壓不均，從而造成即使微型化也難以降低電源電壓。

　　為實(shí)現移動(dòng)穿戴設備等IoT應用不可或缺的低功耗應用，MIFS開(kāi)發(fā)出DDC工藝技術(shù)。這項技術(shù)可以制造極低漏電型晶體管, 使其得以在極低Vdd下操作以實(shí)現最大的電源效率。將DDC與混合信號/RF及嵌入式NVM一起運用于40nm/55nm CMOS，不管對高度集成模擬還是對IoT/可穿戴式平臺的RF SoC來(lái)說(shuō)都可以實(shí)現低成本、高效用。

　　倉田創(chuàng )部長(cháng)舉例說(shuō)道：“在相同的運行速度下，55nm DDC較傳統55nm CMOS工藝降低了46%的總體功耗，較傳統40nm工藝降低了18%。此外，超低漏電晶體管也將泄漏電流從皮安培(pA)降低到毫微微安培(fA)?！?/p>

　　圖：DDC構造。

　　DDC是Si基底的耗盡型溝道器件，通過(guò)簡(jiǎn)單的bulk planar工藝(平面加工工藝)制成。晶體管的通道部分由于形成多重不同濃度的雜質(zhì)層，減少雜質(zhì)波動(dòng)這一造成閾值電壓(Vth)不均的重要因素的影響，從而達到降低電源電壓的目的。因采用傳統的平面CMOS結構，不僅可以使用于現有的生產(chǎn)線(xiàn)裝置，同時(shí)在電路設計方面也可以靈活運用現有的裝置是其一大優(yōu)勢。

　　倉田創(chuàng )部長(cháng)將DDC的主要優(yōu)點(diǎn)歸納為以下三點(diǎn)：

　　1) 電源消耗極低：采用DDC以及降低操作電壓可以實(shí)現電源總消耗的大幅度減少。

　　2) 降低SRAM的Vddmin：如果降低Vdd的同時(shí)增加Vt的話(huà)，SRAM的電池操作一般會(huì )變得不穩定。DDC可以實(shí)現在Vdd極低的條件下運作SRAM。即便是在Vdd=0.3V的情況下，基于DDC的SRAM蝴蝶曲線(xiàn)依然展現出明顯的兩扇窗口的模樣。

　　3) 強大基體因子(Body Factor)效應：DDC晶體管的body bias(Vbb)系數要強于傳統的晶體管。因此，DDC可以實(shí)現Vt的靈活控制。

　　下圖是三重富士通的DDC工藝發(fā)展路線(xiàn)圖，2015年11月底該公司已開(kāi)始提供PDK的“C55DDC”還可為客戶(hù)量身打造提供低功耗方案，包括提供靈活的工藝優(yōu)化、參數調整等服務(wù)。并且，如果客戶(hù)的產(chǎn)品已經(jīng)在別的foundry運行過(guò)，也可以到三重富士通的工廠(chǎng)生產(chǎn)，其技術(shù)人員會(huì )幫助調整參數，減少客戶(hù)開(kāi)發(fā)難度。

　　申請體驗Shuttle service，降低流片成本

　　"Shuttle service"是指用降低芯片成本來(lái)驗證客戶(hù)設計的手段， 采用多項設計共享晶圓、掩模以控制成本。以下是三重富士通半導體的2016年 “Shuttle service”排期表，包括最新的55ns DDC(C55DDC)工藝技術(shù)和服務(wù)體驗也將于2016的3月、6月開(kāi)放，感興趣者可提前在其官網(wǎng)申請。