新一代的遊戲系統需要最複雜的晶片(微處理器),且能在合理的價格下,擁有最高效能與省電的功能。SOI針對這些產業的需求,提供了最佳的解答。這就是為什麼SOI會被使用在Xbox 360、 Nintendo Wii及PS3等最先進的遊戲主機當中,並且也將快速被廣泛使用在遊戲之外的其他應用。

Soitec總裁、執行長暨董事長Andre-Jacques Auberton-Herve
Soitec總裁、執行長暨董事長Andre-Jacques Auberton-Herve

以絕緣體覆矽替代傳統矽晶圓,可至少將製程速度加快30%到40%,同時也能大幅度的改善電源使用效率。這對於任何應用來說,都是一項很驚人的改善,但針對風險極高的遊戲系統市場中,裝置速度能夠成就,也能摧毀一項產品。越來越多畫面生動逼真的電動遊戲,需要比以往更強大的處理器,這也就是為什麼新一代的遊戲系統,都需要借重以SOI為基礎的微處理器。

在SOI晶圓內使用二氧化矽絕緣層,能夠協助廠商克服許多加速晶片製造時所面臨的挑戰,尤其是這些問題在晶片尺寸持續縮小的情況下,已更趨嚴重。絕緣層可減少在電晶體連接區內,電荷所形成的不必要之殘餘物堆積,進而避免電晶體的開關速度被延緩。

此外,絕緣層更可降低電流洩漏,避免裝置溫度上升所可能造成的當機。絕緣層也可以用來阻擋意外電流路徑的形成,防止電路無法運作,也就是俗稱的栓鎖效應(latchup),並將離子化粒子如宇宙射線所引發的意外開關(軟性錯誤)減至最低。後者已逐漸造成傳統矽晶圓為基礎的尖端科技裝置中的效能降低,因為即使是小型的電晶體也可透過微量的入射粒子所提供之電荷而輕易的開啟或關閉。藉由因應這些挑戰,以SOI為基礎的處理器可更快速運作,並協助更高階遊戲機與視訊遊戲的產生。

SOI CMOS處理器在效能及擁有成本(cost-of-ownership;CoO)方面的優勢十分具吸引力。在基礎層面上,處理器的主要條件是速度、耗電量與成本,而使用SOI取代傳統矽晶圓可加快速度、提升用電效益,或兩者兼顧。根據獨立研究公司SEMICO的研究報告指出,對於採用90奈米製程等尺寸較大的晶片,SOI技術可節省整體擁有成本(CoO)。而隨著晶片大小尺寸的不同,在進入65奈米製成後所節省的成本也會隨之增加。在尖端技術方面,SOI CMOS處理器在速度、運算能力與成本方面優勢,使其理所當然地成為高階遊戲系統運算處理中樞的最佳選擇。另一方面,傳統矽晶圓CMOS處理器已經無法滿足遊戲玩家對於新一代裝置的需求。

PS3、Wii及Xbox 360三款新一代的遊戲系統均採用由IBM設計、以SOI為基礎的晶片。同時,全球處理器大廠AMD,也了解到將微處理器轉移到SOI所帶來實質效益。除了長期以來與大型IDM公司的合作推動外,Soitec現在更進一步將SOI製程技術推廣的重心,放在無晶圓廠的IC設計公司上。這些無晶圓半導體公司,並不像IBM或AMD一般,擁有豐富的設計資源。

Soitec最近宣布與ARM(日前宣布收購SOISIC,一家開發以SOI技術為基礎之實體IP的技術公司)合作,提供SOI IP與設計工具給無晶圓半導體公司。大多數的晶圓代工廠如特許半導體(Chartered Semiconductor),也開始為無晶圓半導體公司提供SOI製造服務。Soitec藉由合作的力量,強化SOI生態系統,推動無晶圓半導體產業內SOI的使用,逐漸以SOI取代傳統矽晶圓技術,並協助更多裝置—尤其是效能與處理能力為最重要的消費性電子裝置—善用以SOI為基礎的晶片。SOI所帶來的好處與傳統矽晶圓所帶來的限制,將造成使用SOI新技術裝置的日益增加。

在半導體產業製程技術逐步邁向奈米領域的同時,整個產業共同面臨的挑戰是—僅單純地將設計縮小,已無法有效保證效能的提升。在65奈米,甚至更小的45奈米與32奈米節點設計規則下,單是縮小設計並不會等比例地加快處理速度。依照各種裝置的需求縮放尺寸,在現階段並不可能。這是因為許多元件在製程上以達到物理的極限。舉例來說,做為閘極絕緣體的二氧化矽已達到其物理限制,而替代的介電材料尚未完全開發成功,導致裝置效能無法達到最佳狀態。為彌補上述缺點,並依循摩爾定律增進效能,業界需要新推出工程材料。

正如以上所討論的,微小的傳統電晶體較易產生軟性錯誤與多餘的電流洩漏(在較小的設計節點,原本無關緊要的電流洩漏則成為效能最大破壞因素),而在以傳統矽晶圓為基礎的晶片上,試著使用更多的電源來克服這些問題,不但無法提升效能,更會造成裝置消耗過多的能源。產業人士試圖將這個最小的設計幾何用在傳統矽晶片上,結果卻是消耗過多電源並升高運作溫度,但速度仍無法如期加快,這個問題就是俗稱的熱能牆(thermal wall)。因此,如何有效突破是業界面臨最主要的技術問題。

要解決突破熱能牆時所牽涉的奈米挑戰,設計工程師需要利用兩項製程上的大幅更動:第一、採用多核心而非單核心微處理器架構;第二、使用SOI代替傳統矽晶圓。多核心架構可藉由單一晶片上的多個處理器來分散運算工作,加快運算速度以間接克服這些問題。另一方面,SOI在如此小的設計節點上,以不同於傳統矽晶圓效能限制的材料形式,直接因應這些問題。

SOI使設計工程師能突破熱能牆,並建構較小的奈米幾何晶片,且運作溫度較低、速度較快。要如何在多核心架構與SOI這兩項更動之間選擇?對於製造商來說最好的消息,莫過於他們不用抉擇—他們可以同時轉向兩種新製程,並享受兩種方式所共同帶來的效能提升。這正是最新遊戲機內所使用的技術—多核心、以SOI為基礎的晶片。

Soitec在這裡所扮演的角色是協助量產SOI,並展現其為目前最高階與極小技術節點上熱能挑戰的實際經濟化解決方案。Soitec所擁有的Smart Cut技術可製造出高品質、低成本的SOI晶圓,並用於其他高階工程材料的生產。事實上,Soitec在研發上的努力,已使其在今年成功推出業界第一個使用SmatCut應變SOI晶圓量產產品系列。該產品在結合應變矽晶圓與SOI的效能優勢之後,能夠在設計工程時能夠將效能再次提升。此外,工程材料(engineered materials)這一個半導體產業新興市場,也同時主導著嵌入式記憶體設計的創新和重建,使得晶片製造者可以持續遵循著摩爾定律(Moore’s Law),不斷地發展。