FPGA奔向45納米
摘要：
那個(gè)叫Moore的人真幸運(yùn)。他沒有發(fā)現(xiàn)真正的物理定律。他只不過總結(jié)并預(yù)測(cè)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律，但他可能比大多數(shù)發(fā)現(xiàn)真正定律的物理學(xué)家都著名。說他幸運(yùn)，是因?yàn)槟莻€(gè)所謂的“摩爾定律”還在延續(xù)。他應(yīng)該感謝那些不斷挑戰(zhàn)半導(dǎo)體線寬極限的工程師們，是他們攻克了工藝上的一個(gè)又一個(gè)難關(guān)，使摩爾先生保持金身不敗。
降低半導(dǎo)體線寬或晶體管尺寸的誘惑仍在持續(xù)。每兩年，新一代的半導(dǎo)體工藝就會(huì)出現(xiàn)。這次，也就是從65nm到45nm，晶體管的密度又將提高一倍（65x65/45x45 = 2.09）。雖然開發(fā)成本隨著線寬的不斷縮小而非線性地急劇上升，但單個(gè)晶體管的成本仍然會(huì)降低。更重要的是，新一代的芯片功耗更低、速度更快。所以，快速搶灘下一代半導(dǎo)體工藝仍然是半導(dǎo)體廠商們玩不膩的游戲。
這次不同的是，小蝦米們已經(jīng)玩不起了。只有大佬們才有資本繼續(xù)玩下去：因?yàn)殚_發(fā)成本和技術(shù)門檻高得嚇人。成本高到什么程度？每條45nm代工廠（foundry）生產(chǎn)線投資需要30億美元，工藝開發(fā)需要10億美元。這還不算集成電路的設(shè)計(jì)費(fèi)用。
技術(shù)挑戰(zhàn)的根源在于，45nm已經(jīng)接近原子尺寸極限。門級(jí)氧化物只有3至4個(gè)原子大小，一個(gè)晶體管由很少的原子組成。在這個(gè)尺寸下，用于光刻的光的波長、晶體管的漏電、寄生電容等都是不容易解決的問題。在此背景下，IC設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝之間的相互依賴更加緊密，IC設(shè)計(jì)者更要關(guān)心底層工藝問題。
因此Chian博士說，Altera與臺(tái)積電的合作是Altera研制45nm FPGA的首要前提。臺(tái)積電是排在Intel、三星、TI、ST和東芝之后的全球第6大半導(dǎo)體制造商。由于前5個(gè)公司不經(jīng)營代工業(yè)務(wù)，所以臺(tái)積電實(shí)際上是世界上最具實(shí)力的代工廠。臺(tái)積電在研發(fā)、產(chǎn)能和質(zhì)量控制方面都處于領(lǐng)先地位。對(duì)于Altera這樣的Fabless半導(dǎo)體供應(yīng)商來講，與臺(tái)積電合作應(yīng)當(dāng)說是最好的選擇。Chian博士介紹說，Altera與臺(tái)積電有13年多的合作歷史，雙方合作緊密無間，合作關(guān)系已經(jīng)超越了普通的業(yè)務(wù)關(guān)系，它們更像一個(gè)大公司的兩個(gè)部門：Altera是IC設(shè)計(jì)部門，而臺(tái)積電則是生產(chǎn)部門。
Chian博士介紹說了Altera所謂的“第一硅片投產(chǎn)”（first silicon to production）的設(shè)計(jì)方法。其特點(diǎn)包括可編程功耗技術(shù)，它使新一代芯片的功耗顯著降低；精確的晶體管模型，它實(shí)現(xiàn)了最佳的器件性能。另外，Altera在設(shè)計(jì)階段就考慮到了器件的可靠性，保證了器件的可生產(chǎn)性，即高成品率。
Chian博士著重介紹了Altera的測(cè)試芯片方法，它和建模、仿真一起成為“第一硅片投產(chǎn)”的基礎(chǔ)。測(cè)試芯片的目的是降低生產(chǎn)工藝和電路設(shè)計(jì)當(dāng)中的不確定性風(fēng)險(xiǎn)，它是驗(yàn)證新工藝和改進(jìn)電路設(shè)計(jì)的手段，通過它可實(shí)現(xiàn)性能和可制造性兩方面的最佳平衡。在90nm和65nm工藝節(jié)點(diǎn)，Altera都使用了9款測(cè)試芯片。此次45nm節(jié)點(diǎn)他們將使用8款測(cè)試芯片。目前已經(jīng)完成了4款，在2008年產(chǎn)品正式推出之前還要測(cè)試4款芯片。
業(yè)界曾預(yù)計(jì)臺(tái)積電最快于2007年底推出首顆45nm工藝客戶晶片。臺(tái)積電曾證實(shí)，45nm工藝研發(fā)團(tuán)隊(duì)在順利將技術(shù)移轉(zhuǎn)給生產(chǎn)端后，將接手下一代22nm技術(shù)平臺(tái)開發(fā)，與目前32nm工藝研發(fā)團(tuán)隊(duì)多路并進(jìn)。臺(tái)積電預(yù)估32nm工藝最快于2009年試產(chǎn)，爭取延續(xù)每兩年一代的摩爾定律速度。
值得注意的是，今天市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體器件的要求已經(jīng)和過去不一樣了。過去，用戶最注重的是器件性能，其次是功耗，最后才是價(jià)格。隨著半導(dǎo)體器件性能的不斷完善，尤其是隨著中低端民用產(chǎn)品成為應(yīng)用主流，市場(chǎng)首先看重的是成本，其次是功耗，最后才是性能。Altera的Cyclone系列系列FPGA就是為低成本應(yīng)用而開發(fā)。Chian博士沒有透露下一代45nm FPGA產(chǎn)品具體的時(shí)間表，更沒有透露何時(shí)才會(huì)推出45nm Cyclone系列。估計(jì)Altera最早的45nm FPGA產(chǎn)品應(yīng)該是面向?qū)暮托阅芤筝^高的中高端應(yīng)用。
順便說一句，Mojy Chian博士不是華裔。他于70年代從中東移居美國，先后獲得了佛羅里達(dá)理工學(xué)院的電子工程學(xué)士、碩士
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