FD-SOI，走向7納米？

本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察；作者：李晨光

在全球半導體產業向「低功耗、高可靠、強集成」轉型的浪潮中，邊緣AI、汽車電子、物聯網等場景對芯片的能效比與穩定性提出了前所未有的要求。傳統體硅CMOS工藝難以平衡性能與功耗，而FinFET技術雖在先進製程佔優，卻在成本與低功耗場景適配性上存在侷限。

在此背景下，全耗盡型絕緣體上硅（FD-SOI）技術憑藉獨特的結構設計與性能優勢，逐漸成為解決低功耗難題的核心方案。從2001年的技術構想，到2024年先進製程的集中爆發，FD-SOI已完成從實驗室到產業化的跨越，成為全球半導體生態中不可或缺的重要分支。

2001年，加州大學伯克利分校的胡正明教授、Tsu-Jae King-Liu教授與Jeffrey Bokor教授共同提出兩種將CMOS工藝延伸至20nm以下的技術路徑，FD-SOI便是其中之一。

這一構想的技術核心在於其獨特的晶體管結構：它在傳統硅襯底上增加了一層超薄的埋氧層（Ultra-Thin Buried Oxide），並在其上構建了一個超薄的完全耗盡溝道。

這一設計帶來了多重優勢：優異的柵極控制能力，顯著降低了漏電流和靜態功耗；無需進行溝道摻雜，避免了摻雜波動帶來的性能不一致性；天然的全介質隔離減少了寄生電容和 latch-up風險；此外，其背偏壓技術能夠動態調節晶體管的閾值電壓，從而實現性能與功耗的靈活權衡。

與當時同樣旨在解決縮放問題的3D FinFET技術相比，FD-SOI作為一種2D平面技術，在繼承部分傳統平面工藝設計規則和工具的同時，在低功耗、模擬/RF性能、集成度以及整體成本效益方面展現出獨特的競爭力。

自概念提出后，FD-SOI技術開啟了從實驗室走向產業化的漫長征程，其發展脈絡清晰可辨：

• 技術奠基與產業化起步（2012-2014年）：2012年，意法半導體（ST）率先推出28nm FD-SOI平臺，標誌着該技術正式進入商業化階段，為低功耗芯片設計提供了首個成熟選項；2013年，上游材料突破成為關鍵，材料供應商Soitec突破了FD-SOI高質量襯底的技術瓶頸，解決了「超薄埋氧層均勻性」這一核心難題；同年，芯原股份與ST啟動FD-SOI合作開發，首屆上海FD-SOI論壇召開，搭建起行業技術交流平臺，推動FD-SOI生態初步形成；2014年，三星獲得ST的28nm FD-SOI工藝授權，並與芯原等IP廠商展開合作，產業鏈上下游協同初現；上海新傲科技獲得Soitec的Smart-Cut技術授權，為中國FD-SOI襯底量產奠定基礎，產業鏈上下游開始形成聯動。

• 工藝迭代與應用拓展（2015-2018年）：2015年，格羅方德（GlobalFoundries）推出22nm FD-SOI代工平臺（22FDX），實現工藝節點從28nm到22nm的跨越，進一步豐富了代工選擇；2017年，GF推出FDXcelerator生態計劃，聯合IP廠商、EDA工具商與設計服務公司，降低客户採用FD-SOI的門檻，加速技術落地；此后，基於FD-SOI的芯片密集量產，恩智浦、索尼等公司紛紛推出基於FD-SOI技術的芯片產品，應用領域從手機應用處理器擴展至物聯網、汽車電子等。

• 先進工藝突破與生態深化（2022年至今）：2022年，歐盟推動FD-SOI生態升級，支持ST與GF在法國建設12nm FD-SOI晶圓廠，同時兩家企業聯合投資12nm FD-SOI工藝研發，推動技術向更先進節點邁進；2024年，FD-SOI技術迎來新一輪爆發：ST與三星聯合發佈了集成嵌入式相變存儲器（ePCM）的18nm FD-SOI技術，性能與能效大幅提升；法國CEA-Leti宣佈啟動致力於10nm、7nm等前沿節點的FAMES試驗線。這表明FD-SOI技術正持續向更先進節點邁進，生態系統日益完善。

據預測，FD-SOI市場規模將從2022年的9.3億美元增長至2027年的40.9億美元，複合年增長率高達34.5%。這種增長主要由物聯網（對超低功耗的極致追求）、汽車電子（對高可靠性、抗干擾性的要求）以及邊緣AI（對高能效比的苛刻需求）三大領域驅動。

巨頭佈局：代工廠的FD-SOI技術進展與戰略規劃

近日，三星、格羅方德和意法半導體等全球主要的FD-SOI晶圓製造廠商在第十屆上海FD-SOI論壇上分享了各自的技術進展、市場策略和未來規劃。

三星：雙軌制戰略下的低功耗利器

作為全球第二大晶圓代工廠，三星將FD-SOI視為成熟工藝領域「差異化競爭的戰略王牌」，構建了從28nm到18nm的完整產品鏈，聚焦物聯網、可穿戴設備與汽車電子三大場景。

三星晶圓代工副總裁Taejoong Song闡述了其「雙軌制」技術路線：一方面在先進製程（3nm、2nm）上全力推進GAA晶體管技術，爭奪高性能計算（HPC）和高端移動處理器市場；另一方面，則大力鞏固和拓展其在中低壓特色工藝，尤其是FD-SOI技術上的優勢，旨在搶佔物聯網、可穿戴設備和汽車電子等巨大市場。

三星的FD-SOI佈局特點鮮明：

1）工藝迭代：從成熟到先進的性能躍升

• 28FDS（28nm FD-SOI）：技術已進入規模化成熟階段，採用全耗盡溝道設計與體偏置技術，漏電流較傳統28nm體硅工藝降低60%，累計出貨晶圓量超35萬片，廣泛應用於物聯網傳感器、可穿戴設備MCU等場景，成為三星FD-SOI生態的「基石工藝」。

• 18FDS（18nm FD-SOI）：實現「性能、功耗、面積（PPA）」全面突破——相較於28FDS，性能提升25%，功耗降低40%，芯片面積縮減35%；同時集成3.3V eZG高壓器件與DPT BEOL（后端互連）技術，模擬性能與互連密度顯著提升，可滿足汽車區域控制器、中短距雷達等中高端需求。

• 18FDS+（進階版18nm FD-SOI）：通過流程優化進一步強化射頻特性與可靠性，額外實現10%性能提升與30%功耗降低，計劃2025年進入大規模量產，目標應用覆蓋毫米波雷達、低軌衞星通信等對性能與穩定性要求更高的場景。

2）強化生態構建，降低落地門檻

三星深知「技術成功依賴生態協同」，為此構建了「SAFE合作伙伴體系」，聯合EDA工具商、IP供應商、封裝測試廠商與設計服務公司，為客户提供從「設計-流片-量產」的全流程支持。

3）市場策略：聚焦中國低功耗需求

三星晶圓代工副總裁、技術規劃部門主管Taejoong Song明確表示：「中國市場對低功耗芯片的需求缺口顯著，是FD-SOI增長的核心驅動力。」三星計劃進一步加大在中國市場的技術投入，通過與本土設計企業、代工廠的合作，推動FD-SOI從技術選擇變為物聯網、汽車電子等場景的「標配方案」。

意法半導體：以IDM模式為基礎，深耕車規與工業

作為FD-SOI技術的早期推動者，ST以IDM模式為基礎，將FD-SOI技術深度綁定汽車電子場景，同時通過存儲與工藝的創新融合，形成獨特競爭力。

ST執行副總裁、中國區總裁曹志平分享了ST作為IDM廠商在FD-SOI技術上的深耕與創新。ST強調FD-SOI技術在能效提升、模擬性能優化、抗干擾能力增強方面的顯著優勢，尤其適用於對穩定性要求極高的車規級和工業級應用場景。

ST的FD-SOI實踐成果豐碩：

• 車規級MCU量產：ST基於28nm FD-SOI技術實現量產的車規級MCU，在汽車運行狀態下漏電率降低35%，功耗減少50%，待機模式功耗更是降低近99%。其固有的抗輻射特性也提升了在惡劣環境下的可靠性。

• 嵌入式存儲創新：ST選擇將相變存儲器（PCM）與FD-SOI技術結合，基於Arm架構的Stellar系列FD-SOI車規MCU在存儲密度上可達競品兩倍以上。

• 技術迭代與供應鏈韌性：ST正與三星合作開發18nm FD-SOI技術，該技術性能功耗比提升超50%，存儲密度與數字密度大幅提升。未來產品可從韓國和法國雙晶圓廠實現供應，增強供應鏈穩定性。ST已將FD-SOI技術應用於成像傳感器、雷達以及低軌衞星通信產品中。目前，18nm FD-SOI樣品已交付部分核心客户，預計2025年正式量產。

• 靈活的業務模式：雖為IDM，但可根據客户需求提供全鏈條支持或參與特定環節，展現出高度靈活性，並高度重視中國市場，提供定製化服務。

格羅方德：為邊緣AI量身打造的能效引擎

格羅方德（GF）將FD-SOI技術定位為「邊緣AI的量身定製方案」，以22FDX平臺為核心，通過強化「連接、功耗、集成」三大能力，滿足邊緣設備「高性能+超低功耗」的雙重訴求。

格羅方德高級副總裁、超低功耗產品線負責人Ed Kaste提出，FD-SOI技術正以「為邊緣AI量身打造」的定位，推動全球多個行業的變革。他指出，「AI無處不在」及「物理AI」的興起，使得功耗管理、連接性能與設備自主性成為關鍵挑戰，而FD-SOI恰好是應對這些挑戰的核心解決方案。

格羅方德旗下基於FD-SOI的22FDX平臺及其增強版本，其優勢體現在多個方面：

• 卓越的連接性能：憑藉無摻雜硅通道設計，實現了低失配、高性能的RF表現。其22FDX+平臺在6GHz至140GHz的多頻段範圍內，飽和功率（Psat）和功率附加效率（PAE）均有顯著提升，支持高清通信與實時數據傳輸。

• 極致的功耗控制：超薄埋氧層設計帶來了低漏電和精確的功率性能調控，完美適配電池供電的邊緣設備。

• 強大的集成能力：提供了優化的嵌入式非易失性存儲器（eNVM）組合。22FDX MRAM具有高耐用性和數據保持能力，適合汽車及工業應用；22FDX RRAM則以其低成本、快速響應優勢，成為物聯網和消費電子的理想選擇。

格羅方德正通過其技術構建「連接-採集-處理-行動」的邊緣AI完整閉環，為智能移動設備、汽車電子、數據中心基礎設施和物聯網設備提供穩定高效的底層支撐。其中，車載雷達芯片採用22FDX工藝后，功耗降低45%，體積縮減30%，已獲得博世、大陸等Tier1廠商的訂單。

展望未來，GF計劃在22FDX基礎上，進一步推進12nm FD-SOI工藝研發，目標是替代部分7nm FinFET應用——通過體偏置優化與集成技術升級，12nm FD-SOI將在保持低功耗優勢的同時，性能提升30%，滿足更高算力的邊緣AI需求。生態層面，GF持續深化與EDA、IP、芯片等上下游廠商的合作，豐富22FDX平臺的客户資源，降低本土客户的設計門檻。

研究機構視野中的FD-SOI機遇與未來

除了上述晶圓代工廠的進展和佈局外，行業研究機構和技術研發中心對FD-SOI技術的發展前景、市場潛力和技術路線也提供了獨立而深入的分析，為行業發展提供了關鍵參考。

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IBS：FD-SOI是邊緣AI的優選技術，

中國迎來戰略機遇

作為全球半導體市場研究的權威機構，國際商業戰略公司（IBS）首席執行官Handel Jones深度剖析了邊緣AI為FD-SOI技術帶來的機遇，並強調了其對中國半導體產業的戰略重要性。

Jones認為，FD-SOI的超低功耗和高效無線連接能力使其成為邊緣AI應用的「理想技術伴侶」。其能效表現優於傳統體硅CMOS和FinFET，例如12nm FD-SOI或許能滿足許多7nm FinFET應用的需求。他指出，GF的22nm FD-SOI、ST的18nm FD-SOI以及Soitec與CEA-Leti對10nm FD-SOI的評估，都證明了該技術的成熟度和持續演進能力。同時，豐富的IP組合和供應鏈支持是FD-SOI成功商業化的重要基石。

另一方面，對於中國而言，FD-SOI技術具有特殊戰略意義。在面臨先進製程獲取挑戰的背景下，FD-SOI的成熟度和低功耗優勢成為中國企業實現技術自主和產業升級的重要路徑。中國已具備300mm SOI襯底的生產能力，且良率具備競爭力。Jones建議，中國需與Soitec等國際企業建立技術合作，並系統性構建設計生態，以協同方式提升FD-SOI產業的整體競爭力。

IBS預測，FD-SOI總可用市場（TAM）將從2020年的28.99萬片晶圓/月（KWPM）增長至2030年的127.6萬片晶圓/月。MCU、ISP是核心增長領域，智能機器人、L3+級自動駕駛、5G-A/6G、智能穿戴設備等新興市場將為FD-SOI提供廣闊的應用場景。

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CEA-Leti：引領FD-SOI向10nm以下節點邁進

作為FD-SOI技術的領先研發機構，法國原子能委員會電子與信息技術研究所（CEA-Leti）硅組件部門副主管Martin Gallezot博士分享了其在FD-SOI技術上的最新研發進展與路線圖，明確展示了該技術向10nm及以下節點邁進的決心與能力。

「背偏壓與射頻性能是FD-SOI的核心優勢」，Gallezot強調，FD-SOI技術的核心競爭力在於其背偏壓（Back Bias）技術和卓越的射頻（RF）性能。自適應背偏壓技術（在GF 22FDX平臺上已實現）可在相同頻率下降低高達50%的功耗，或在相同功耗下提升40%的性能，效果堪比節點躍遷。同時，FD-SOI在特徵頻率（ft）和最大振盪頻率（fmax）等射頻關鍵指標上表現出色，適用於5G毫米波、Wi-Fi 6等高頻應用。

與此同時，CEA-Leti正在推動FD-SOI從28nm、22nm向10nm和7nm節點演進。與28nm節點相比，10nm FD-SOI目標性能提升約1.9倍（同功耗下），或功耗降低至1/5（同性能下），晶體管密度提高4倍，射頻目標頻率突破450GHz。7nm節點則計劃在10nm基礎上速度再提升25%，功耗再降低45%。

針對關鍵技術突破與挑戰，CEA-Leti指出，實現10nm及以下節點需攻克多項關鍵技術，包括更精確的圖形化工藝（如SADP）、超薄硅層與埋氧層控制、應變工程優化、低k介質集成、高壓器件嵌入以及嵌入式非易失性存儲器（如PCM, MRAM）集成等。

CEA-Leti高度重視設計技術協同優化（DTCO），正在逐步釋放10nm FD-SOI的工藝設計工具包（PDK）和設計平臺（2025-2029年規劃多個版本），以支持從邏輯合成到物理實現的完整低功耗設計流程，助力設計人員充分挖掘技術潛力。

目前，10nm FD-SOI的測試芯片已完成流片，關鍵參數達到設計目標，預計2027年實現工藝定型，2028年進入量產階段。

寫在最后

從2001年的技術構想，到2024年18nm、10nm工藝的集中突破，FD-SOI已成為全球半導體產業「低功耗轉型」的核心支撐。其獨特的低功耗、高可靠性與成本優勢，使其在邊緣AI、汽車電子、物聯網三大高增長領域佔據不可替代的地位。IBS預測的34.5%市場複合增長率，以及三星、ST、GF的持續加碼，均印證了FD-SOI的強勁生命力。

未來，FD-SOI的發展將呈現三大趨勢：一是技術上向10nm、7nm先進節點延伸，通過更薄的埋氧層、更優的應變工程與3D集成技術，進一步提升性能與集成度；二是應用上從車規MCU、物聯網傳感器，向邊緣AI加速器、低軌衞星通信、AR/VR芯片等更廣泛場景拓展；三是生態上形成「全球協作+區域互補」格局——歐盟側重先進製程研發，中國側重應用落地與本土生態構建，美國聚焦高端RF與存儲集成，全球產業鏈協同將成為技術突破的關鍵。

對於中國半導體產業而言，FD-SOI更是實現「差異化破局」的戰略機遇。憑藉300mm SOI襯底的本土產能、芯原等企業的IP積累，以及龐大的物聯網、汽車電子市場需求，中國已具備構建FD-SOI完整生態的基礎。未來，通過深化與國際企業的技術合作、加強本土產業鏈協同，中國有望在FD-SOI生態中佔據核心地位，為全球低功耗半導體產業注入新動能。

綜合來看，FD-SOI不是FinFET的替代者，而是互補者——在追求極致性能的HPC領域，FinFET仍將主導；但在千億級邊緣設備與車規芯片市場，FD-SOI將成為能效標杆。隨着全球對低功耗、高可靠芯片需求的持續釋放，FD-SOI有望在未來十年成長為半導體產業的主流技術路線之一，引領一場「能效革命」。