FD-SOI:身体偏差如何创造独特的差异化优势

通过。Manuel Sellier

全耗尽型绝缘体上的硅(FD-SOI)依赖于一种非常独特的衬底,其层厚可在原子尺度上控制。FD-SOI 在功率、性能、面积和成本折衷(PPAC)方面具有显著的晶体管性能,使其有可能通过单一技术平台覆盖从低功耗到高性能的数字应用。FD-SOI具有许多独特的优势,包括近阈值供电能力、对辐射的超低敏感性和非常高的内在晶体管速度,使其可能成为市场上最快的RF-CMOS技术。除了这些优势之外,FD-SOI 是唯一能够通过体偏压动态地完全控制晶体管阈值电压的 CMOS 技术(图 1)。

图1:FD-SOI截面和体偏原理。

为了解释为什么体偏是这样一个改变游戏规则的功能,我们从它所帮助解决的问题开始。在寻求更高的能源效率方面,数字设计者面临着两个主要挑战。第一个挑战与变化的影响有关,它修改了由变化的极端情况(所谓的 "角落")定义的实际芯片规格。这往往会大大降低芯片的能源效率(参见图2)。因此,为了优化能源效率,产品工程师经常使用补偿技术(参见图3)。最常见的补偿技术是基于自适应电压扩展(AVS),即根据芯片的工艺中心来调节电源电压的水平。这种技术被广泛用于移动电话的工艺补偿,但在汽车和物联网市场面临着严重的限制,因为它在可靠性方面有很大的影响,很难实现有效的温度和老化补偿,而且对大多数设计公司来说,它涉及新的和特定的设计技术。

图2:变化对能源效率影响的原理。

图3:补偿技术的原理。

第二个问题是对能源消耗的优化。随着先进技术的发展,泄漏功率很可能成为需要解决的最关键问题。正确平衡漏电水平和动态功率水平是很重要的。然而,在块状CMOS技术中,固定漏电的参数(Vth、门长)大多是静态的,并由工艺定义。因此,除了关闭电路的整个部分之外,没有自适应漏电优化的可能性。能量点,即动态和漏电功率之间的平衡是固定的,不能动态地改变。

通过对晶体管阈值电压的控制,体偏压作为一个控制旋钮,能够解决上述以能效为目标的设计者所面临的大部分问题。

不仅可以非常有效地缓解全局变化,而且最重要的是,设计者可以在设计芯片时减少工艺、温度和老化的设计死角,并从合成开始提升功率-性能-面积(PPA)的权衡。

图4:基于身体偏差的过程补偿技术的影响。来源:Flatresse, ICICDT17

漏电是指数级地依赖于阈值电压的,现在可以通过体偏压动态地修改。通过同时玩弄适量的电源电压和体偏压,可以动态地进行能量优化。由此产生的能效增益在标称电压下是两倍,在超低电压下可以增加到6倍。

为了在电路层面有效地实现体偏压,人们必须修改目前的电源管理基础设施,即只利用今天的电源电压,以支持能够管理电源电压和体偏压的电源管理解决方案。

在过去的两年中,Dolphin Integration一直与GF合作,发布了世界上第一个电源管理IP平台。这个电源管理IP平台现已在22FDX中得到验证,包括一套一致的可配置的电压调节器、可扩展和模块的电源管理单元(又称PMU逻辑/ACU)、电源IO和孤岛门控和电压监控器。

为了让 SoC 设计人员充分挖掘 FD-SOI 在 SoC 上的 PPAC 潜力,两家公司目前正在探索扩展这一电源管理 IP 平台,以实现对电源和体偏的动态控制。这种扩展的电源管理 IP 平台将利用现有的体偏压解决方案,同时用应用优化的体偏压发生器和先进的监控技术对其进行补充(参见图 5)。

图5:Dolphin目前的电源管理基础设施和正在进行的项目,包括身体的偏差。来源:F.Renoux, SOI Consortium Shanghai 2018.

市场上出现这类解决方案,推动了FD-SOI的价值主张,在低功耗和高能效应用方面的表现优于PPA。更重要的是,体偏压交钥匙解决方案的出现大大降低了进入门槛,使得从移动、物联网到汽车的所有参与者都能获得FD-SOI的价值主张。

FD-SOI 的价值真正体现在利用体偏压的能力上,与现有技术相比,这是先进 CMOS 领域的一种完全颠覆性方法。FD-SOI改变了游戏规则,实现了一个数量级的功率效率提升。在Dolphin Integration等硅IP供应商的支持下,新的功率/性能/可靠性管理基础设施将提供给客户,以充分利用这项技术的优势,为物联网和汽车领域的未来性能标准铺平道路。

关于作者

Manuel Sellier

Manuel Sellier

Manuel Sellier是Soitec的产品营销经理,负责确定全耗尽绝缘体上的硅(FD-SOI)、光子-SOI和成像器-SOI产品线的商业计划、营销策略和设计规范。在加入Soitec之前,他曾在意法半导体公司工作,最初是一名数字设计师,负责高性能应用处理器的高级签收解决方案。他在先进金属氧化物半导体晶体管(FD-SOI和鳍式场效应晶体管)的建模和电路模拟方面获得了博士学位。他在各个工程领域拥有多项专利,并在期刊和国际会议上发表了大量的论文。