作者：Dave Lammers

格芯在22FDX技术方面已经取得了一些成功，但是在保守的半导体行业中，要让新技术投入使用是一个耗时耗力的过程。经过几年的基础夯实，同时5G、汽车和射频物联网设备都意味着全耗尽式SOI技术市场的快速增长，现在正是FDX大展拳脚的时候。

格芯工业和多市场业务部副总裁Ed Kaste在格芯技术大会(GTC 2019)分组会议上介绍道，格芯预计22FDX器件今年的出货量将达1亿个。

在电源管理领域的一个量产设计中标中，FDX在模拟、射频和低功耗工作方面的优势与体硅相比，更胜一筹。格芯移动与无线基础设施市场部高级总监Jamie Schaeffer表示：“我们相信通过展示FDX在该电源管理应用中可实现的性能，将有助于我们在物联网领域赢取其他大批量设计中标。”虽然该电源管理芯片相对较小，所需的晶圆数量也不是很多，但Schaeffer表示，这是一个范例：展示了即使未启用体偏置，仅22FDX“也是一个性能更出色的晶体管”。Schaeffer在9月下旬于圣克拉拉举行的GTC 2019上介绍道，在0.5V电压下（许多设计中标的目标电压），基于SOI的FDX技术功耗更小、漏电流更低，而且射频性能甚至“超出了格芯的初始期望值”。

我在会议上的感受到，目前，FDX技术所需的方方面面都汇集到一起，种类繁多，这篇博客无法一一加以介绍，因此，我将重点关注自适应体偏置功能。

FDX设计中标中很少采用体偏置，部分原因是迄今为止还没有多少设计人员能够轻松实现体偏置以达到性能提升或功耗降低。在某些用例中，用于实现体偏置的IP本身就消耗了相当大的功耗，从而抵消了总体功耗收益。

体偏置生态系统就绪

但是，一切都在改变。市场现在已经完全支持自适应体偏置(ABB)，总的来说，可以从多家IP供应商处获得更深入的FDX IP库，包括面向汽车应用的Synopsys、面向物联网CryptoIsland™安全性的ARM，以及来自芯原的IP等等。

Schaeffer向GTC与会者表示：“体偏置无疑是FDX最具差异化的能力，但由于没有完整的体偏置生态系统，因此它尚未得到广泛采用。在过去几年里，我们建立了首个体偏置生态系统，包括带有工艺、电压、温度和体偏置表征的库和存储器。该生态系统还包括体偏置发生器，以及来自Cadence和Synopsys的参考设计。从设计和规划一直到表征和测试，我们已经全部准备就绪。”

Schaeffer表示，其目标是“为客户简化用例。富有创意的设计人员如何使用体偏置并不受任何限制，只是在某种程度上，我们将它过度复杂化了。为了简化设计过程，我们让客户能够利用体偏置来补偿工艺。仅此一项，就可以使设计性能提高多达30%。仔细想想，该设计与半代工艺或全节点改进类似，只需进行一个设计微调即可。”

Schaeffer在GTC上宣布，22FDX平台现已支持ARM的内置安全IP（称为集成安全元件(iSE)），从而让物联网设备设计人员能够更轻松地获得安全认证。 
 

ARM的集成安全元件(iSE) IP现可用于基于22FDX的SoC，降低高安全性标准芯片供应商的进入门槛
（资料来源：GTC 2019）

来自Dolphin Design的关键IP

Dolphin Design（总部位于法国梅朗）首席执行官Philippe Berger表示，公司30位工程师今年开发出了IP和测试芯片，可支持FDX平台上的自适应（正向或反向）体偏置(ABB)（正向偏置降低阈值电压以提高性能，而反向偏置则提高Vt以降低漏电流）。

ABB功能让设计人员可以利用正向和反向偏置技术，动态补偿工艺、电源电压、温度(PVT)变化以及老化影响。Dolphin的IP嵌入了体偏置电压调节、PVT监视器、老化传感器以及控制环。Berger表示，当传感器监视PVT特性时，“可调节体电压，使晶体管恢复到您所需要的特性”。

他还表示，Dolphin IP“提供了能够充分利用工艺角紧固优势的设计方法论”。Dolphin与格芯于今年1月签署了合同，共同开发ABB知识产权，目前已可提供该IP。Berger介绍道，客户从Dolphin获得IP许可时，它是作为“格芯赞助”的IP免费提供的。

Berger表示：“基本上，目前几乎没人在使用体偏置，因为没有设计环境。”他还预测道：“今后，体偏置解决方案将至关重要，特别是当设计人员要将射频与其余电路结合在一起时。”Berger表示，体偏置功能随着5G蜂窝和物联网市场的蓬勃发展应运而生，体偏置(BB)将广泛应用于功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)功能。

Dolphin的自适应体偏置(ABB) IP是格芯体偏置生态系统的一部分，旨在改善性能、延迟和能耗。
（资料来源：GTC 2019）

Invecas, Inc.客户工程部副总裁Bhaskar Kolla表示，Invecas已经创建了一个标准的单元库，该库具有适合于自适应体偏置的工艺角表征。Invecas库中的“hook”可将Dolphin的ABB IP调入系统一起工作。Kolla表示：“Dolphin IP将使得动态（自适应）偏置更易于使用。一些客户已经使用了静态（正向）偏置，但是借助自适应偏置，客户既可以使用正向偏置，也可以使用反向偏置。我们的库现已支持这一功能。”

格芯平台首席技术专家兼全球研发部副总裁John Pellerin表示，新一代FDX工艺12FDX中将搭载更多ABB优势。22FDX工艺中的阱结构要求预先设置好给定电路模块的体偏置条件（对标称电压进行加/减），而采用12FDX工艺时，则能够以非常精细的电路粒度在两个方向上任意切换偏置。“我可以将它比作街道。采用22FDX时，就像是在城市街区中的车流只能单向行驶，而采用12FDX时，该城市街区中的车流可以双向行驶。”

格芯经过重组，组建了一个新部门，负责面向汽车、工业和多市场(AIM)应用的处理平台、IP和其他设计支持元件，其中多重市场涵盖了物联网市场，例如用于农业、智能城市、医疗、可穿戴电子产品、智能家居等领域的低功耗蜂窝网络。

Kaste告诉GTC观众，尽管早先对物联网市场增长的炒作有所降温，但他相信，随着AIM市场（汽车、工业和多市场）到2022年将增长达到240亿单位，“我们希望证明它即刻必将起飞”。此外，几乎所有AIM市场(98%)都将采用12nm设计规则，而且这一比例“到2022年及以后”将更高。

每一度电都至关重要

为了使这些预测成为现实，限制能耗成为当务之急，这对于FDX技术而言是个巨大的机会。数十亿乃至数万亿台连接设备必须功耗极低。正如Synopsys联合首席执行官Aart de Geus在GTC的主题演讲中指出的那样，在全球变暖的时代，“每一度电都至关重要”。

5G网络融合使AI增强型物联网设备能够将大量数据发送至云，产生倍增效应。de Geus表示：“物联网与5G的乘积作用，将产生海量数据来发送至云。但这意味着令人难以置信的能源需求，而这个时代人人都在关注气候变化。地球的生存能力受到威胁。”

作者: Dave Lammers

系列文章中的第二部分（共三部分）：回顾格芯的前十年、展望未来十年以及更远的将来。

在格芯发展的前十年中，代工厂遭遇了前所未有的挑战，从考验全体员工勇气的技术转型到如何将格芯与其他竞争对手区分开来的决策。

从2009年仅仅可为AMD提供一些技术解决方案到如今的发展规模，格芯是如何借助一系列基于RF的解决方案占据市场主导地位，并在全耗尽式SOI中大力发展，这无疑是过去十多年间半导体行业最有意思的事情。

我和Gregg Bartlett谈过此事，他从公司成立就进公司了，现在是格芯的工程和技术主管。Bartlett记得，2009年他刚加入格芯就立即投入到新代工厂的严苛工作中。但正是在这一时期，管理层学会了评估技术和产品转型可以承担的风险，这是一次宝贵的经验。

富有挑战的开始

2009年初，在阿布扎比穆巴达拉投资基金的资金支持下，格芯从AMD中剥离出来，并立即受命利用新的32nm高k/金属栅极工艺推出新AMD产品架构。结果发现这两者组合很难实现大规模量产。

Bartlett回忆说，AMD的旗舰新品“APU”率先将图形处理引擎和CPU内核结合在一个芯片上，需要在格芯位于德国德累斯顿的旗舰晶圆厂集中生产。Bartlett说：“这是一段相当令人沮丧的时期，非常艰难，但我们坚持了下来。”

Patrick Moorhead现在是Moor Insights & Strategy的行业分析师，十年前他是AMD管理团队的成员。“如果从历史的角度来看，Llano拥有与APU集成的首批大型图形IP之一。当时，没有任何一款智能手机处理器能够提供类似功能。但是事情进展并不顺利，要继续坚持下去就得面临超乎寻常的挑战。”

Bartlett说，格芯管理层学到的主要经验就是管理好所承担的风险。“刚走出困境，格芯又试图攻克新的难题，推出一种革命性的新硅技术。我们设法改变芯片架构，同时进行技术创新。看看今天我们的公司，可以说我们学到了很多，与客户合作以及通过客户设计创新更好地管理技术创新。”

从3个客户到300个客户

2010年，在穆巴达拉基金领导层的支持下，格芯的管理层收购了Chartered Semiconductor。格芯和德累斯顿晶圆厂只为一小部分客户生产了几种不同的产品，这些客户需要晶圆厂能提供前沿技术。Bartlett说格芯的管理层意识到，要学会运用各种不同的工艺技术来满足不同的客户需要。

“然后我们问自己：如何将一家只有3个客户的晶圆厂发展成拥有30个客户，然后是300个客户的晶圆厂？如何改变业务流程？答案当然是：不容易。Chartered为我们带来了同时为数百名客户服务的技能和流程，”Bartlett说道，并称赞Chartered新加坡团队将“客户导向”文化引入格芯。

他说：“Chartered规划出如何为客户制定应急计划，以确保他们能成功打入市场。”

Bartlett赞扬了穆巴达拉投资基金的领导人，称他们“愿意在收购Chartered方面进行大笔投资，因为他们知道这项收购具有相当大的变革意义”。此次收购为格芯增添了位于新加坡的200mm和300mm晶圆厂，以及大约200家客户。收购标志着新代工厂转型的开始，也创造了服务众多客户的流程。

“这是一种非有机转变，加速了我们作为全球代工厂的运作能力。目前，新加坡是我们公司非常成功的一部分，其工艺技术和人才迅速发展，”Bartlett说。

一次非常偶然的合作

借助德累斯顿在32/28nm节点的工作经验，五年后，新的马耳他晶圆厂在面临14nm节点的挑战时首次引入了FinFET。

这次，格芯和AMD顺利度过了难关，Moorhead描绘了完美的结局：“当Ryzen的第一个版本（AMD 14nm）面世时，作为一名行业分析师，我不得不问自己，‘有什么是不可能的？’样品出货几千件是一回事，但出货几十万件甚至几百万件则是另一回事。至少可以这么说，这是一次了不起的进步。而要做到这一点，缓存单元尺寸、晶体管性能、功耗和散热方面都要优于英特尔的许多产品，确实是了不起。”

为了取得14nm的成功，格芯进行了客观的自我评估。当时担任格芯首席技术官的Bartlett回忆说，当时IBM技术联盟的成员对14nm节点有着不同的看法。IBM正研究一种基于SOI的工艺，包括其深沟槽嵌入式DRAM，而格芯和三星则分别采用不同的方法朝着体硅CMOS FinFET 14nm工艺发展。

格芯和三星就是否合作以及如何合作的讨论时断时续，但他们都意识到对于移动领域的大客户来说，合作是管理供应风险的有利办法。这推动格芯和三星就单一技术的部署展开了合作。

“很明显这时就需要开始合作了，结果证明这是非常有益的。”Bartlett说。通过与三星在14nm上的合作，格芯加速了向高量产制造的转型。与此同时，格芯在马耳他的技术开发团队得以发展壮大，该团队目前正为更多的应用程序和客户针对平台实施差异化。

借助FD-SOI进行差异化的第一步

Bartlett说，在收购IBM微电子业务的过程中，管理层得出结论，格芯需要技术多样化战略，以区别其主要竞争对手在28nm节点的工作。

“FD-SOI是我们进行技术平台差异化的第一个有意识的选择。我们决定面向我们认为需要物联网和集成射频等FD-SOI的细分市场推出卓越的技术解决方案，而不是去模仿行业领先者，”Bartlett说。

去年，由Tom Caulfield领导的格芯新管理团队认为要从7nm转向与我们的客户建立更紧密的联系，这需要我们能够做出艰难决定并灵活变通。这种转变释放了开发资源，从而在格芯大多数客户群使用的技术平台上进行更多投资，包括12nm FinFET、22FDX®、RF、硅光子和其他平台。

Moorhead说，他相信22FDX工艺在边缘处理方面具有功耗优势，并且随着5G RF和数据处理趋于一致，边缘处理将发挥主要作用。“格芯面临着很大的机会。5G以及所有相关电路将从根本上与物联网相连。这将定义未来十年。它让我们实现超连接，”Moorhead说。

我问Bartlett，格芯在前十年的经历是否塑造了一支经得起战斗考验的员工队伍，并能更从容地应对未来的挑战。

“我们从成立的前十年中学到了很多，明白了哪些决定是正确的，哪些决定是错误及其错误原因。当我们作出错误决定时，格芯能够作为一个团队一起面对，这意味着我们能够更好地应对未来的挑战。”他说。

“我们以后还会犯错吗？很有可能，但不会是因为我们没有考虑风险。公司发展到现在，我们从中学到了很多，例如，如何支持我们的客户，如何管理自己所承担的风险，最重要的是当客户的需求与我们的核心能力一致时，与客户保持紧密联系。我们对自已有清醒的认识，清楚地知道自己的核心竞争力，并希望借助这些能力在未来的道路上奋力前行。”

在本系列文章的最后一部分，我们将探讨格芯的未来，以及它的差异化产品组合将如何帮助客户并改变这个影响世界的行业。

关于作者

Dave Lammers是固态技术特约撰稿人，也是格芯的Foundry Files的特约博客作者。他于20世界80年代早期在美联社东京分社工作期间开始撰写关于半导体行业的文章，彼时该行业正经历快速发展。他于1985年加入E.E. Times，定居东京，在之后的14年内，足迹遍及日本、韩国和台湾。1998年，Dave与他的妻子Mieko以及4个孩子移居奥斯丁，为E.E Times开设德克萨斯办事处。Dave毕业于美国圣母大学，获得密苏里大学新闻学院新闻学硕士学位。