Kína lehet az FD-SOI jövője?
Az FD-SOI-alapú gyártástechnológiák számos előnnyel kecsegtetnek, legyen szó az alacsony szivárgási áramról, vagy épp a költséghatékonyságról. A kínaiak már jó ideje szemeznek ezzel a félvezetőgyártási eljárással, de vajon mikor lesz ebből kézzelfogható termék?
A SOI (Silicon-On-Insulator – szilícium a szigetelőn) technológia elsősorban az AMD és az IBM háza tájáról lehet ismerős. Előbbi vállalat egyes régebbi, 32 nanométeres termékei esetében (pl. AMD FX) még ma is alkalmazza ezt a megoldást, míg az IBM a legújabb, POWER8 elnevezésű processzorát szintén hasonló eljárás segítségével gyárt(at)ja le, igaz már alacsonyabb, 22 nanométeres csíkszélesség mellett - az Intel azonban nem használja.
Ennek oka van, a SOI ugyanis drágítja a gyártást, ráadásul ez méretgazdasággal sem orvosolható. A gyártáshoz olyan speciális ostyákra van szükség, melyeken a megmunkált szilíciumréteget egy rendkívül vékony szigetelő réteg választja el a szilícium szubsztrátumtól, ez az alapanyag pedig 10-15 százalékkal drágább, mint az alternatív ("bulk") eljáráshoz szükséges ostyák. Az Intel erre hivatkozva nem vezette be a SOI-t, inkább alternatív, méretgazdaságosabb megoldásokat keresett a SOI által orvosolt problémákra, például a parazita kapacitásra.
A SOI gyártástechnológiák alapvetően két nagy csoportra bonthatóak. Az AMD és az IBM eddig a PD-SOI (Partially-Depleted) nevű eljárást alkalmazta a feljebb is említett termékeinél. Ezzel csökken a fogyasztás az alacsonyabb ellenállás és enyhébb szivárgási áram okán, és a lebegőtestnek köszönhetően a kapcsolási sebesség (tehát az elérhető órajel) nő, azonban ebből fakadóan bizonyos esetekben megjelenhet a lebegőtest-effektus (history effect), amikor is a félvezető mintegy ellenállásként viselkedve töltést hoz létre önmaga és a szigetelő között, ami növeli a szivárgási áramot, ezzel pedig az adott áramkör disszipációját. A probléma a csíkszélesség csökkentésével egyre inkább kezelhetetlenné válik, melynek okán a PD-SOI 20 nanométer alatt már kvázi nem opció.
Az FD-SOI (Fully-Depleted) esetében ezt a problémát orvosolták. A megoldást egy rendkívül vékony, mindössze 5-7 nanométer vastag szilíciumfilm jelenti, mellyel a szigetelőréteget és a csatornát egymástól elválasztva megszüntethető a lebegőtest-effektus, ezzel csökkentve a szivárgást és növelve a kapcsolási sebességet, illetve javítva a skálázhatóságot. Az FD-SOI megközelítés további előnye az alacsony működési feszültség, illetve hogy a FinFET-tel ellentétben a tranzisztorok nem térnek el jelentősen a korábban használtaktól. A drágább ostyák mellett ugyanakkor ez a megoldás sem mentes a problémáktól, hisz amellett, hogy a gyártástechnológia kialakítása nehezebb feladat, bizonyos esetekben felerősödhet az úgynevezett short-channel effect, ami néhány analóg áramkör esetében jelenthet problémát.
Az FD-SOI-t a FinFET technológiákkal összevetve általánosságban elmondható, hogy utóbbi bár nagyobb tranzisztorsűrűséget, ezzel pedig végül kisebb lapkaméretet teszt lehetővé, ugyanakkor összességében még az egyszerűbb és olcsóbb szilícium ostyák ellenére is drágább fejlesztési és gyártási költségeket eredményez mint az FD-SOI. Ennek tükrében nem csoda tehát, hogy a tranzisztorsűrűségre kevésbé érzékeny dizájnok esetében az FD-SOI egyértelműen jobb választás mint a jóval bonyolult(abb) és költségesebb FinFET, emiatt pedig jó néhány kínai székhelyű félvezetőgyártó (is) komolyan kacsintgat az eljárás felé.
Az érdeklődők között jelen van a VeriSilicon, a Shanghai Huali Microelectronics, a Huahong Grace Semiconductor, illetve a nagyrészt már állami tulajdonban lévő, Sino IC Fundból alakult, egyelőre csupán "The Big Fund" néven emlegetett félvezetőgyártó, mely 2017-ig 20 milliárd dollárt tervez elkölteni fejlesztésekre. A nagy érdeklődés érthető, hiszen Kína önmagában egy hatalmas piac, a mobil termékekhez pedig elengedhetetlen alkalmazásprocesszorokra és rádiós chipekre óriási a kereslet. Ezek nagy mennyiségben való előállításának szükségessége több okból is az FD-SOI irányába billenti a mérleget, az pedig csak hab a tortán, hogy ez a fajta gyártástechnológia nagyban megkönnyíti az alapvetően digitális működésű SoC-re integrált analóg rádiófrekvenciás részegységek létrehozását (RF in FD-SOI).
Az agresszív árazást alkalmazó kínai gyártóknak tehát abszolút kapóra jönne egy jól működő FD-SOI gyártástechnológia, hisz ezzel a költséghatékonyság mellett az FD-SOI segítségével a szintén kulcsfontosságú alacsony fogyasztás is garantálható lenne, ugyanakkor a volumen kérdéses, ugyanis a feljebb említett SOI waferekből egyelőre limitált mennyiség áll rendelkezésre, amire például anno az Intel is hivatkozott a FinFET melletti érvelése során. Amennyiben ezt a problémát is sikerül kiküszöbölni, úgy már kvázi minden akadály elhárulhat az elől, hogy kis méretű, olcsó, és alacsony fogyasztású alkalmazásprocesszorok mellett akár saját gyártású IoT, vagy 5G-s modem chipekkel is megindulhasson egy kínai offenzíva.
Ünnepi mix a bértranszparenciától a kódoló vezetőkig Négy IT karrierrel kapcsolatos, érdekes témát csomagoltunk a karácsonyfa alá.
Mindenekelőtt még a konkrét elhatározás is hiányzik egyes kínai félvezetőgyártók esetében. A Tsinghua Egyetem professzora szerint a kínaiak már legalább 2 évet fecséreltek el azzal, hogy nem hoztak döntést az FD-SOI alkalmazásának ügyében, így a lemaradásuk egyre nehezebben lesz behozható. A döntésképtelenség egyik állítólagos oka, hogy egyelőre sem a Samsung, sem pedig a GlobalFoundries nem mutatta meg az FD-SOI-val kapcsolatos, 22 nanométernél kisebb csíkszélességekre vonatkozó terveit, márpedig a technológia gyors felfutásához szükség lenne arra, hogy igazán nagy félvezetőgyártók is adoptálják.
A Sanghajban megrendezett szeptemberi FD-SOI fórumon Wei professzor erre vonatkozó konkrét kérdésére nem kapott egyértelmű választ, amit a GlobalFoundries képviselője azzal hárított, hogy a 22 nm-es FD-SOI node esetében még a tömeggyártás fázisában sem tartanak, emellett pedig meglehetősen hosszútávra terveznek ezzel a megoldással, melynek skálázódása technikailag biztosított, így a továbbiak csak a partnerek igényein fognak múlni. Válasz (és elköteleződés) tehát még nincs, ezzel az FD-SOI, bármennyire is ígéretes, egyelőre továbbra is ígéret marad.