格芯（GLOBALFOUNDRIES)22FDX™ 22nm FD-SOI平台

2016年

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简介

为您的新产品选择下一代技术平台是一个关键决策。产品持续追求着更优秀的性能、更高级的功能、更低的成本、更低的功耗和无处不在的无线连接。不幸的是, 这些要求之间愈发互相排斥，抉择与取舍，将影响您的产品在市场上的成功。

您需要的是一个处理工艺，可以在性能、功耗和成本之间找到平衡，并提供一整套全新的产品功能，在竞争日益激烈的市场上凭借差异化胜出。本文将向您展示22FDX™平台为您提供的重要机会，以您认为不可能的方式, 优化您的设计方式，提供工具，满足您的客户对高性能、低功耗、低成本的要求, 并获得卓越的最终产品功能。

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CMOS技术的选择——FinFET或全耗尽绝缘体上硅（FD-SOI）

因为使用当今bulk CMOS技术制造的产品现在开始迁移到下一代节点，设计师正面临选择。FinFET为高度数字化的最高性能设计提供了优势。这些设计经常出现在高性能计算、服务器或高端智能手机的应用中。在其他设计中，性能和功耗都很重要，整体处理效率和电池寿命则尤为关键。全耗尽绝缘体上硅（FD-SOI）为这些设计提供显著的低功耗、低成本和处理效率的优势，用于主流移动应用处理器、无线网络、物联网（IoT）、可穿戴设备和智能传感器。

格芯提供FinFET和FD-SOI技术，如图1所示，独特的定位帮助您针对产品关键需求, 作出技术平台的正确选择。

图1：22FDX和FinFET产品之间互相补充

服务器

高性能计算与开关，有线网络

高端移动应用处理器

消费者应用 中档智能手机

物联网、可穿戴设备、传感器、低端智能手机

28SLP

28HPP14LPP/

LPEFinFET

22FDX™

FD-SOI

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低功耗SoC设计示例

被用于提升未来的低功耗SoC的设计，是展现22FDX™平台的功能与优势的方式之一。举个简单例子，如图2所示，这是一个低功耗图像处理应用。这个SoC包含一个监视处理器，它需要一直开启，保持低的活动性或占空比。高性能图像处理器实时分析高清图像和视频，同时最小化功率消耗并在活跃模式下延长电池寿命。最后，为满足未来芯片组对成本的严苛需求，特别是用于物联网市场的芯片组，设计需要集成射频技术，如Wi-Fi或低功耗蓝牙（Bluetooth LE）。在回顾了22FDX平台的功能之后，我们将再次详细分析这个示例。

图2：片上系统（SoC）示例按低功耗、无线连接和先进数据处理能力的要求进行设计

• Watchdog processor detects motion and wakes image processor

• Processor zooms in and analyzes image

• Wireless comms transmits message

WirelessComms

High PerformanceApplicaiton Processor

“Watchdog”Comms

ON

ON

IDCSPI/SSI PWM

IMAGE DSPSensor pipelineEnhancementsScaling, OSD

VIDEO DSPH.264, MJPEGFour StreamsRate control

RTCWDT

HOSTBUS

NANDUART

x2USB 2.0DEVICE

HDMICVBS

SENSORINPUT

BT.656OUTPUT

BT.656INPUT

SDIOx2

AUDIOI2S ETHERNET

DDRGPIOJTAG

CPU528 MHz ARM 1136J-S

ON

• 监视处理器检测到动作并唤醒图像处理器

• 处理器放大并分析图像

• 无线通讯传送消息

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22FDX™平台描述

22FDX™是业内首个22nm FD-SOI平台。应用22nm节点，格芯可以利用经过生产验证的28nm工具套件，同时尽量减少需要双重成像的步骤，以保持低成本。相对于标准的28nm节点技术，裸晶尺寸可以缩小高达40%。22FDX™还提供第二代FD-SOI晶体管，相比28nm降低近70%的功耗，且具有与FinFET技术类似的能效。因此，22FDX ™具备与FinFET类似的性能，超低的功耗和28nm的成本效益。

在设计灵活性和智能控制方面，22FDX™具有额外竞争力和独树一帜的能力，为任何其他技术所不具备。例如，22FDX™提供：

• 由软件控制晶体管体偏压，可动态调节性能与功耗

• 改善的晶体管架构，优异静电控制、减小的电容、降低的不确定因素，从而最小化待机漏电和工作功率

• 通过将改善的晶体管架构与体偏压能力结合，实现0.4V超低功耗运行

• 射频技术实现，优越的模拟晶体管特性，加之利用新型射频电路拓扑结构，可减少达50%的射频功耗

22FDX™具备的功能可满足连接、移动、物联网、可穿戴设备、网络和汽车等应用领域下一代产品的需求。

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22FDX™基础平台和平台扩展

22FDX™具有一个非常全面的基础平台，如图3所示，提供高级设计所需的关键性能：

• 4核Vt产品（2核正向基体偏压和2核反向基体偏压）

• 2 IO Vt’s，可以在1.2、1.5或1.8伏特运行

• 全套的无源器件

• 高密度、高速、低电压、超低电压和双端口SRAM的广泛组合

• 高密度和高速的标准单元库

• 为移动、物联网和射频市场进行优化的基础和综合IP

• 软件控制的基体偏压能力

为进一步差异化设计，我们在22FDX™上为设计师们开发了针对应用进行优化的扩展。包括：

• 22FDX-ulp：超低功耗扩展增加了针对0.4伏特运行而优化的逻辑库和存储器编译器

• 22FDX-ull：超低漏电扩展带来了更丰富的设备套件，可实现每微米1皮安的漏电

• 22FDX-rfa：射频和模拟扩展加入了射频应用的具体实现及其完整特性，可实现的射频应用包括优化的射频布局和P单元、BEOL无源元件和用于低功耗蓝牙（Bluetooth LE、ZigBee 和Wi-Fi的IP。

图3：22FDX应用广泛的基础平台和三类扩展方向

• 4核Vts• 2 IO Vts @ 1.2/1.5/1.8v• 无源器件• 静态随机存储器（SRAM）

(HD, HC, LV, ULV, TP)• 8T/12T库• 软件控制的基偏压

22FDX™基础平台

基础平台PDK与IP 针对应用优化的扩展选项

• ulp添加逻辑库和存储器编译器，优化0.4v逻辑运行

• ull添加设备、库和存储器编译器以实现1 pA/um漏电

• rfa添加射频支持、BEOL无源器件和用于BTLE的IP、Wi-Fi

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22FDX™-为有效的基体偏压而架构

22FDX™平台最显著的特征之一，在于它是为有效的体偏压而架构。如图4所示，体偏压在晶体管的背栅极添加正电压或负电压。这使得晶体管Vt可控，并且可在软件控制下通过静态或动态方式实现。在反向体偏压的情况下，增加的Vt可减少待机模式下的漏电。对于正确优化的设备架构，可实现每微米1皮安的漏电。在正向体偏压的情况下，可以增加开关频率，选择推进或加速模式以提高性能。正向体偏压也可用于实现超低功耗或低电压运行，甚至低至0.4伏电压，在低Vdd运行时，通过降低Vt保持电压净空和性能。体偏压还可通过许多新颖方式来应用，例如用于工艺补偿来最小化不确定性，或用于减轻电压过载状态带来的可靠性问题。

图4：正向和反向体偏压动态调整

–2V到+2V体偏压

• 正向体偏压（FBB）可实现低至0.4V电压下的操作，且无速度损失

• 反向体偏压（RBB）可实现低至每微米1皮安的低漏电

• 动态体偏压可实现运行时性能与功耗之间的权衡调整

• 可用于减少裸晶和/或裸晶间的不确定因素

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动态体偏压提供了最佳性能和功耗的权衡

当基体偏压角与传统的PVT角结合时，设计师能够获得优化功耗和性能的新维度。如图5a所示，利用22FDX™的体偏压能力，您可以优化电路模块；基于使用条件，选择有源功耗和漏电功耗的完美组合，最大化电池寿命源。图5b显示当为获得最佳性能、最低总功耗或最佳性能 / 每瓦特时，对应的有源功耗或漏电功耗的最佳工作点。对于采用其他工艺技术时面对的艰难取舍，这种灵活性提供了创新的解决方案。

图5a：动态体偏压优化功耗与性能

图5b：按系统需求优化动态 体偏压

相对

漏电

功率

相对有功功率

0 0.5

1.5 2

0.1

1

无基体

2.5

10

100

-60mV Vt 正向基体偏压

+60mV Vt 反向基体偏压

Vdd+100mV

Vdd-100mV 1x Fmax

最佳性能1.6x Fmax 最佳性能/瓦特

1x Fmax

最低功耗0.5x Fmax

Max Frequency

LeakagePower

Reverse Body Bias (RBB)

Forward Body Bias (FBB)

Maximum Performance Operating Mode

Minimum Leakage In Standby Mode

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图 6：相 较 于 28 n m HKMG，22FDX功耗更低 性能更高，

22FDX™技术的设计重点是超过现有28nm工艺的性能和功耗目标。图6显示了 22FDX™与高性能28nm高介电层金属栅极（HKMG）技术之间的对比。相较于以橘色显示的28nmHKMG，以绿色显示的基础22FDX™制程可在相同频率下降低高达 50%的功耗，或是在相同的总功耗下增快40%的性能。此外，22FDX还可利用正向体偏压进一步优化，以蓝色曲线显示，它可进一步降低功耗，或在加速运行模式下进一步提高速度。这项独特的能力提供了与FinFET相当的性能以及可降至0.4伏特的低 Vdd运行。

频率与总功耗1.80

1.60

1.40

1.20

1.00

0.80

0.60 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

总功耗（标准化）

频率 （标准化）

22FDX (FBB=1.5V)

22FDX

40%更快

30%更快

功耗降低 50%

功耗降低 50%

28HKMG

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除了体偏压提供的优势之外，22FDX™不会牺牲任何通常应用于Bulk或FinFET技术中的电源管理策略，如表1所示：

Bulk FDSOI FinFET

Multi-Vt• Well• Halo/Extn

Multi-Vt• 背栅极杂质导入• 通道离子注入

Multi-Vt• Well• Halo/Extn

确定栅极长度 确定栅极长度 确定栅极长度

体偏压• 反向 体偏压• 正向 体偏压

• 从设计的角度，Well和halo/extn掩膜层分别类似于FD-SOI技术的背栅极和通道植入掩膜。

在22FDX™中，多种可用的栅极长度、晶体管静态或动态的体偏压，可以进一步优化性能和漏电情况。

还应该提到的是，由于其完全耗尽的模式（相对于bulk），22FDX™晶体管延续了数字和模拟电路优势，（参见表2）。与平面bulk技术相比，22FDX™晶体管具有优越的亚阈值特性、低电容和优越的晶体管失配特性。22FDX™晶体管还具有较高的跨导和较低的输出电导，可实现更高的运行Ft和更高的模拟/射频电路自增益。

40LP (Vdd = 1.1v) 22FDX (Vdd = 0.8v)

NFET PFET NFET PFET

静电 DIBL, mV <199 <205 <89 <92

SSsat, mV/dec <97 <104 <86 <90

电容 Cov, fF/um 0.215 0.181 0.186 0.177

Cj, fF/um 0.378 0.327 0.146 0.146

失配 AVtsat, mV-um 4.45 2.89 1.65 1.61

表2：优势bulk晶体管FD-SOI相对于

表1：电源管理策略

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单元放置+Tapcell 放置+CTS预先选择路由

植入感知+CNRX放置

路由优化 Tapcell连接（基体偏压网格+HV）

漏电恢复w/VT交换+Lgate优化

可选：使用FBB/RBB 性能/功耗优化

签出PEX/STA（+DPT提取）

可选：为动态基体偏压变量（PVTB）添加签出角

物理验证 +EMIR

库特性+POCV/LVF不确定性

基体偏压的库特性（添加角）

内置设计模块（DRC +PM+ 金属填充+EMIR）

设计规划（正向 基体偏压与反向基体偏压）

RTL综合 UPF 连接

Bulk流程 22FDX的新步骤

从Bulk节点到22FDX™的设计迁移

为了简化从bulk CMOS技术到22FDX的过渡，格芯现提供合格的参考流程以协助完成迁移。图7所示的22FDX™设计流程类似于bulk技术流程。因为22FDX采用22nm的先进节点技术，在流程中的很多新功能都类似于其他先进节点，例如20nm bulk或14nm/16nm FinFET技术。22FDX的许多新设计功能，例如正向和反向体偏压连接、连续的RX感知放置、高电压规则和PVTB签出，都可轻易适配。

图7：22FDX设计流程

• 22FDX数字设计流程与bulk流程类似

• 某些特性用于高级节点（bulk和FD-SOI）– AOCV/POCV/LVF – 双重成像提取n–内置设计模块

• 在入门套件中已考虑到差异

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图8：最大化设计灵活性

利用22FDXTM打造超低功耗SoC

现在请回顾本文开头介绍的低功耗SoC设计的示例，看看22FDX如何利用新工具以最小的代价来优化设计（参见图8）。对于监视处理器，由于有完全耗尽通道和反向基体偏压，22FDX可以让器件具有超低的漏电。比本征器件自身低10倍的漏电，对部署SoC“一直开启”的部分尤为关键。对于高性能的图像处理内核，22FDX供本质上更好的变化性以及良好的静电控制，采用正向基体偏压运行，实现最低动态功耗下的高性能。

最后，22FDX平台提供完整的射频支持，能够优化电路拓扑结构，减少射频功耗。因此，22FDX提供新颖而差异化的工具，推动了用于先进物联网、移动和射频产品的下一代超低功耗SoC。

超低功耗SoC

无线通讯 高性能应用处理器

监视处理器

IDCSPI/SSI PWM

IMAGE DSPSensor pipelineEnhancementsScaling, OSD

VIDEO DSPH.264, MJPEGFour StreamsRate control

RTCWDT

HOSTBUS

NANDUART

x2USB 2.0DEVICE

HDMICVBS

SENSORINPUT

BT.656OUTPUT

BT.656INPUT

SDIOx2

AUDIOI2S ETHERNET

DDRGPIOJTAG

CPU528 MHz ARM 1136J-S

用最低的动态功耗实现高性能

超低漏电

集成RF

• 监视处理器检测到动作并唤醒图像处理器

• 处理器图像放大和分析

• 无线通讯传送消息

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生态圈支持

FD-SOI飞速发展的生态圈将支持强劲而快速的设计增长。现时，许多晶圆厂与独立制造厂商正在研发FD-SOI技术，包括格芯的22FDX™技术。EDA和设计服务供应商的数量也在急剧增长，其中五家公司已宣布与格芯在22FDX项目上建立合作伙伴关系。同时，很多产业集群正致力于开发下一代FD-SOI解决方案，扶植FD-SOI生态圈的成长。他们一起为设计师提供IP和必要的支持，使得22FDX成为下一代SoC设计的一部分。

22FDX就是当今移动、物联网和射频应用的合适的解决方案

22FDX平台针对低成本的应用进行了优化，达到成本和性能之间的更优权衡，同时还满足了全球消费者、网络和物联网市场中很多高增长应用对超低功耗的严苛需求。FD-SOI已被证明可扩展至下一节点，同时维持固有的多种差异化功能。这些关键功能的组合使22FDX在现今的移动、物联网和射频应用方面成为一个强有力的竞争者。

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