作者：加里-帕顿博士加里-帕顿博士

人们可能会把对半导体的强劲需求看作是我们这个传统周期性行业的又一次上升周期，但现在真正推动行业发展的是全新视野的开辟，当今芯片功能的增强使之成为可能。

芯片需求不再仅仅受电脑和智能手机制造商需求的驱动。现在，许多不同行业的各种新应用如雨后春笋般涌现，既创造了需求，也推动着芯片技术向新的方向发展。因此，尽管开发速度更快、密度更大的半导体这一传统目标仍然非常重要，但它已不再是唯一的发展方向。

主要行业

我们认为，除传统计算和智能手机应用外，以下领域也是未来半导体需求的主要驱动力：复杂的物联网 (IoT) 应用、5G 和无线网络、汽车以及人工智能/机器学习 (AI/ML)。

在物联网领域，人们越来越多地将高度传感、处理和通信能力嵌入到物理对象中，为其运行带来 "智能"--强大的数据分析和处理能力。其目标是提高性能、效率和成本，并开发全新的解决问题的方法。

对于5G 和无线网络而言，带宽要求正变得异常严格，以便创建功能更强、更可靠和更安全的网络。例如，在不久前，网络设备的延迟时间仅为 50 毫秒还是一项了不起的技术成就，但现在看来几乎是过时了，因为预计的要求要求许多网络应用的延迟时间为 1 毫秒或更短。

汽车电子是另一个快速增长的领域。自 20 世纪 80 年代初推出不起眼的遥控钥匙扣以来，汽车中的电子设备数量激增。对先进半导体工艺的需求与日俱增，其中许多工艺结合了射频和功率处理能力，以满足驾驶辅助、安全和信息娱乐系统等广泛的汽车应用需求。

与此同时，人工智能和机器学习系统会产生大量数据，可利用这些数据提高生产力、效率、质量和成本效益，减少人工干预。

GF 已为增长做好准备

许多这些新应用都需要在性能、功耗、灵活性和成本之间取得良好平衡的芯片，如果这还不能完美地描述 GF 的22FDX®技术，那我就不知道还有什么可以了。GF 的 22FDX 技术是这些高增长行业客户的一大优势。它具有强大的性能和高能效，成本与 28 纳米平面技术相当，但芯片尺寸比 28 纳米小 20%，掩模比 28 纳米少 10%，所需的沉浸光刻层数也只有 28 纳米的一半。

此外，由软件控制的晶体管体偏压使客户能够在高性能和低功耗操作之间来回动态切换。例如，这使他们能够优化睡眠和工作模式。FDX™ 技术还使客户能够轻松地将数字、模拟和射频功能集成到单个芯片上，从而实现智能的全集成系统解决方案。

在 22FDX 的广泛应用中，我们已经赢得了 20 多项客户设计，包括窄带物联网 (IoT) 系统、区块链开发和比特币挖矿、地理定位、毫米波汽车雷达和人工智能/移动媒体等。

这些产品与我们的超高性能 FinFET 技术相辅相成，后者遵循摩尔定律，使AMD和IBM等客户能够提供超快的图形处理和强大的大型服务器。

因此，GF 的双技术 FDX 和 FinFET 路线图，再加上一系列已经商业化或处于不同开发阶段的差异化技术，为客户在这些高增长领域的发展提供了无与伦比的机会。

例如，GF 的先进封装解决方案路线图是这些市场客户的另一个关键优势。我们致力于通过我们的封装技术组合保持领先地位，因为对更高带宽、更大存储量和更快速度的需求意味着必须使用先进的封装解决方案来最大限度地提高产品性能和功能。我们的 ASIC 产品旨在利用先进的封装选项，包括单芯片和多芯片模块以及 2.5/3D 解决方案，实现模块级的无缝集成。

人为因素的重要性

尽管这些技术成就令人印象深刻，但 GF 最重要的成就或许是我们如何将来自各种背景的人员和团队团结在一起，共同开发这些解决方案，并帮助我们的客户抓住眼前的机遇。

我们最初拥有一支强大、多元化的全球研发团队，并在2015 年收购 IBM Semiconductor 后获得了更多强大的技术和管理人才。这次收购为 GF 带来了约 500 名员工，他们从事尖端技术、领先的无线通信射频技术、ASIC 设计能力（包括领先的高速 SerDes）、先进的封装解决方案等方面的工作。

我们精心培养人才，因为半导体的设计和制造需要许多互补技能，而打造具有凝聚力的团队的能力是关键所在。为此，我们利用多种类型的跨部门合作伙伴关系来传播共同的学习成果。其中一个例子是我们的客座系列讲座，我们邀请世界顶级人士到 GF 就重要而及时的主题发表演讲。我们将这些讲座录制下来，并向我们的所有基地播放，这样世界各地的员工都有机会学习。

我们还通过与行业研究团体的合作进行学习，以加强我们的内部努力。我们的技术人员与位于奥尔巴尼的纽约州立大学理工学院的 IBM 研究联盟、imec、Leti和SRC 等团体一起，积极参与未来技术的开发。

展望未来

随着半导体的应用扩展到多个不断增长的新领域，人们对芯片技术未来的传统看法已被颠覆。当然，遵循摩尔定律仍然至关重要，但现在这只是前进的一条道路。

GF 的技术使我们处于一个非常有利的位置，能够应对不断变化的用户需求，因此 2018 年的确会是非常有趣的一年。

关于作者

加里-帕顿博士

Gary Patton 博士是 GLOBALFOUNDRIES 的首席技术官兼全球研发高级副总裁。他负责 GF 的半导体技术研发路线图、运营和执行。

在加入 GF 之前，Patton 博士曾担任 IBM 半导体研发中心副总裁长达八年之久。在此期间，他负责 IBM 的半导体研发路线图、运营、执行和技术开发联盟，主要工作地点包括纽约州东菲什基尔、佛蒙特州伯灵顿、纽约州奥尔巴尼的奥尔巴尼纳米技术研究中心和印度班加罗尔。他还是 IBM 企业成长与转型团队的成员。

Patton 博士是半导体技术研发领域公认的行业领袖，拥有 30 多年的半导体经验。在 IBM 的职业生涯中，他曾在 IBM 的微电子、存储技术和研究部门担任过一系列广泛的执行和管理职位，包括技术和产品开发、制造和业务线管理职位。

帕顿博士在加州大学洛杉矶分校获得电气工程学士学位，在斯坦福大学获得电气工程硕士和博士学位。他是电气和电子工程师学会会员，也是电气和电子工程师学会西泽奖章奖励委员会成员。他与他人合作撰写了 70 多篇技术论文，并多次应邀在大型行业论坛上就技术和行业问题发表主题演讲和专题演讲。

作者： Dave Lammers戴夫-拉默斯

在即将于西班牙巴塞罗那举行的世界移动通信大会（MWC 2018）上，物联网领域的竞争对手将介绍他们的芯片设计，其中包括采用 GLOBALFOUNDRIES 的22FDX®工艺的几家初创公司。

Nanotel Technology 公司首席技术官Anup Savla 说，这家年轻的公司正在设计几款用于窄带 (NB) 物联网领域的芯片。Savla 曾在英特尔工作过三年，之后在高通公司从事了 11 年的无线集成电路设计工作，他说，Nanotel 选择使用 22FDX 工艺是为了降低其混合信号 NB-IoT 调制解调器的功耗。

"我们有一个数字引擎，一个处理器，是围绕物联网应用设计的，重点是低功耗和低泄漏。有了 22FDX，就有了降低功耗和漏电的旋钮。他说："这样做的机会是无与伦比的，批量 CMOS 无法提供这样的机会。

Nanotel 收发器的设计在首批 22FDX 设计套件正式发布之前就已开始，使用的是 0.5 PDK，但使用的是针对 0.4 V 工作电压的库。"从一开始，我们就确定了 0.4 V 库的目标。原因是相对于体 CMOS 工艺而言，0.8 V 水平的功率差异不够大。他说："在 0.4 伏的情况下，功耗水平会大大降低，而成本却与块状 CMOS 工艺相似。

在被问及如何设计 FD-SOI 工艺时，Savla 说："我们只是遇到了典型的早期采用型问题。部分原因是使用后浇口需要额外的建模和测试要求，但无论工艺成熟与否，这都是事实。这不一定是负面的。 如果你真的想利用这种工艺，那么你就想改变后栅极电压，但这需要额外的建模"。

Savla 说，Nanotel 芯片组的设计在数字和模拟之间平分秋色。"在同一设计中，我们可以使用具有背闸控制功能的开关，在器件基本上处于休眠状态而不使用时切断漏电流，这在体CMOS中是不容易实现的。另一方面，我们可以在有源模式器件中使用背闸，从而在非常非常低的电源供应下实现有源操作"。

Nanotel 的主要重点不是销售集成电路--它是一家以解决方案为重点的公司，为客户设计设备和数据包，使他们能够使用长距离、低成本的蜂窝网络连接，而不必依赖 WiFi。他说，拥有自己的芯片组使 Nanotel 能够降低成本，并为客户定制独特的功能。

双模连接解决方案

据 ABI Research 公司称，领先的低功耗广域（LPWA）连接标准--LTE-M 和窄带物联网（NB-IoT）--预计到 2021 年将推动物联网部署达到近 5 亿。

GF和芯原正在开发一套IP，使客户能够创建支持LTE-M或NB-IoT双模解决方案的单芯片LPWA解决方案。该IP可在单芯片上实现完整的蜂窝调制解调器模块，包括集成基带、电源管理、射频无线电和前端组件。

芯原提供硅平台即服务（SiPaaS）知识产权，使客户能够专注于差异化功能。芯原首席执行官戴伟立（Wayne Dai）表示，中国政府已将NB-IoT作为明年全国部署的目标。GF在成都为FDX新建的300毫米晶圆厂，以及集成NB-IoT和LTE-M的单芯片解决方案等IP平台，"将对中国的物联网和AIoT（物联网人工智能）产业产生重大影响"。

每微米一个皮康

GF 物联网、人工智能和机器学习战略营销和业务开发总监Anubhav Gupta 表示，一些客户正在采用旧的多芯片设计，并在 22FDX 中创建单芯片解决方案。"由于高效的 SOI FET 堆叠可实现高功率 PA 和高开关线性度，因此在 22FDX 中采用单芯片具有面积、功耗和成本优势。与 28nm 体系中的同等设计相比，我们发现短沟道效应低、跨导增益高、失配明显改善、噪声更低。"

在数字方面，Gupta 说，体偏压能力使客户可以在低至 0.4V 的电压下工作，待机漏电流小于 1 微安/微米。此外，GF 现在提供的嵌入式 MRAM具有极快的唤醒速度，读取速度与闪存相似，但写入速度提高了 1000 倍。Gupta 说，当 eMRAM 与片上 SRAM 结合使用时，客户可以完全避免使用片外闪存。

需要一份路线图

Hutcheson 说，他相信有一些公司正在进行设计，但他们的底牌还没有亮出来。"自 2016 年以来，可用的 IP 多了很多，GF 通过 12FDX 解决了路线图的问题，因此 22 不只是一站式的东西。"

意法半导体公司（STMicroelectronics）在 28 纳米工艺上生产了几款 FD-SOI 设计，该公司最近宣布将把 GF 的 22FDX 工艺作为其 FD-SOI 路线图的下一站。

意法半导体发言人表示："由于 22FDX 集成了第二代有源器件（晶体管），意法半导体很自然地选择 GF 的 22FDX 技术作为我们的下一节点技术，在此之前我们已经在使用 28 纳米 FD-SOI 技术。

该发言人表示，意法半导体对 "德累斯顿 22FDX 技术节点的发展持积极态度，该节点现已具备批量生产的资格，并已准备就绪，意法半导体可立即将其用于开发产品"。德累斯顿生产团队的晶圆生产能力和经验 "让我们对 GF 的合格和批量生产能力充满信心"。

性能优化 "视觉处理器

Dream Chip Technologies GmbH（德国汉诺威）首席运营官 Jens Benndorf 说，他的团队在其 "性能优化 "的汽车视觉处理器中使用了 0.8V 库。Dream Chip 是欧盟支持的设计项目的牵头公司，该项目包括 ARM 的A53 Quad和用于功能安全的Cortex®-R5lock step、Cadence 的quad Vision P6、Arteris IP 的 FlexNOC、INVECAS 的 LPDDR4 控制器以及其他 IP 合作伙伴。由此产生的基于 22FDX 工艺的多核视觉处理器于一年前在 2017 MWC 上首次亮相。从那时起，该设计就为欧洲汽车制造商和一级汽车零部件供应商提供了一个平台，他们可以在此基础上创建定制衍生产品。

"汽车行业意识到，除了雷达和激光雷达，他们的辅助驾驶解决方案还需要更多的摄像头信息，整合来自多个摄像头的信息。由此产生的多处理器芯片设计使用正向偏压来提高性能，而不使用任何反向偏压，"本多夫说。由此产生的计算机视觉处理器解决方案面积为 64 平方毫米，拥有约 10 亿个晶体管，功耗为 4 瓦特。

Riot Micro 押注蜂窝链接

Nanotel的设计在数字和模拟之间平分秋色，而另一家采用22FDX工艺的初创公司则采用了全数字NB-IoT调制解调器设计。总部位于温哥华的Riot Micro 公司首席执行官Peter Wong 说，该公司的方法没有采用数字信号处理 (DSP) 方法，因此物联网客户可以关闭芯片的大部分，以节省电能。这对于电池供电的物联网边缘设备来说尤其受欢迎，因为这些设备可能需要使用电池运行十年之久。

Riot Micro 的首款设计采用了竞争对手代工厂的 55nm 块状 CMOS，但后续芯片则采用了 22FDX 工艺。Riot Micro LTE Cat-M/NB-IoT 调制解调器包括一个运行协议栈的超低功耗处理器。"我们借鉴了蓝牙领域的设计方法，以降低功耗和成本。PHY 的设计使用了门电路而不是 DSP，并采用了紧密耦合和高度优化的原协议栈，这使我们能够对调制解调器进行非常精细的功率控制。

"使用 22FDX，我们的价值主张是节省潜在的功耗和面积，"Wong 说。"此外，利用 22FDX 工艺中不断增长的 IP 可用性生态系统，有助于加快产品上市时间。

Riot Micro设计是一种数字蜂窝调制解调器，支持LTE Cat-M和NB-IOT蜂窝标准；Wong表示，Riot Micro调制解调器今年将获得几家主要蜂窝运营商的认证。中东的一家客户正计划将其用于紧急报警系统。

"将物体连接到互联网的方法有很多：WiFi、蓝牙、Zigbee、蜂窝等......所有这些都有适用的用例，但对于许多应用而言，蜂窝具有许多优势。 蜂窝技术本身更安全、易于部署、提供移动性，而且频谱是经过许可和管理的。 只要打开就能连接。你不必担心频谱问题，所有这些都由运营商管理。

来源：Riot Micro -Riot Micro -
窄带物联网网络利用蜂窝网络实现低功耗广域网络

集成电源管理

Gupta 表示，GF 发现一些混合信号物联网客户倾向于为数字电路提供 0.4V 电源，为模拟部分提供 0.8 至 1.8 伏电源。"22FDX 中的 LDMOS 使低功耗物联网应用不再需要外部 PMU（电源管理单元）。通常在散装工艺中，他们没有高压 LDMOS，而且由于很多物联网应用都是在锂离子电池上工作，因此这些应用需要一个外部电源转换芯片来实现电池供电应用。"

Gupta 说，0.4 V 设计的数字性能足以支持 ARM 内核等从 100 Mhz 到 500 Mhz 以下的运行速度。

GF 分部营销总监Tim Dry 说，工程师们开始通过使用动态体偏压技术更充分地了解 22FDX 技术的模拟设计能力。"事实证明，SOI 本体偏压实现了许多我们直到最近才理解的模拟扩展。对于 ADC（模数转换器）、无线电和功率元件，我们相信我们可以获得比现有的平面和潜在的 FinFET 小得多的芯片面积"。

22FDX 解决方案适用于物联网系统，如智能电表、增强现实和虚拟现实耳机、公用事业控制和安防摄像头，可以降低功耗。"智能扬声器是另一个备受关注的应用，"Dry 说。

欲了解有关GF FDX™解决方案的更多信息，请参加2月27日至3月2日在西班牙巴塞罗那Fira Gran Via举行的MWC大会，了解GF的技术平台如何在向5G过渡的过程中实现 "互联智能 "新时代，或访问globalfoundries.com。

关于作者

戴夫-拉默斯

Dave Lammers 是 Solid State Technology 的特约撰稿人，也是 GF's Foundry Files 的特约博主。Dave 于 20 世纪 80 年代初在美联社东京分社工作时开始撰写有关半导体行业的文章，当时正值该行业快速发展时期。1985 年，他加入了《电子时报》，在东京工作的 14 年中，他报道了日本、韩国和台湾的情况。1998 年，戴夫和妻子美惠子以及四个孩子搬到奥斯汀，成立了《电子时报》德克萨斯分社。戴夫毕业于圣母大学，并在密苏里大学新闻学院获得新闻学硕士学位。