低功耗、DFM及高速接口是65/40納米設(shè)計(jì)重點(diǎn)

近兩年，國(guó)際上大的半導(dǎo)體公司都推出了65納米產(chǎn)品，并開始了45納米/40納米產(chǎn)品的研發(fā)，而國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有五六家企業(yè)開始了65納米的設(shè)計(jì)。但總體來說，65納米/40納米設(shè)計(jì)目前仍然還是一個(gè)新生事物，企業(yè)要解決一系列的技術(shù)難題。為此，我們邀請(qǐng)FPGA企業(yè)、EDA企業(yè)、IP企業(yè)、芯片制造企業(yè)共同探討新工藝技術(shù)的研發(fā)關(guān)鍵點(diǎn)。

主持人趙艷秋

Altera技術(shù)經(jīng)理相奇博士：40納米技術(shù)應(yīng)對(duì)高靜態(tài)功耗和高速I/O挑戰(zhàn)

FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）是遵循摩爾定律發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)品之一，這些年FPGA從65納米也推進(jìn)到40納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)，而每一個(gè)深亞微米技術(shù)節(jié)點(diǎn)的新工藝開發(fā)需要10億美元。近幾年，F(xiàn)PGA的發(fā)展趨勢(shì)包括高密度/高性能以及高速I/O（輸入/輸出接口）。伴隨著FPGA特征尺寸的縮小，在40納米/65納米設(shè)計(jì)上遇到了與130納米以前不一樣的困難，其中主要包括功率管理和高速接口。

在功耗方面，隨著產(chǎn)品邏輯密度和速率的增加，它們的靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗都在增加。尤其是靜態(tài)功耗，在65納米/40納米的產(chǎn)品中，由于漏電流增加，它占到總體功耗的1/3，因此，我們對(duì)靜態(tài)功率的管理變得越來越困難。而在高速I/O方面，通信市場(chǎng)，特別是無線通信市場(chǎng)對(duì)高速的需求越來越多，2008年對(duì)速度的要求達(dá)到10Gbpos以上。此外，在深亞微米產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)上，我們還要同時(shí)考慮性能、成本、尺寸等綜合因素。

在40納米產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，我們要采取一些特殊的方法來應(yīng)對(duì)上述兩個(gè)主要挑戰(zhàn)。

在功率管理方面，F(xiàn)PGA在130納米之前的各節(jié)點(diǎn)，每次升級(jí)都不需要考慮功耗問題，設(shè)計(jì)要以獲得晶體管升級(jí)帶來的全部性能為主。但在90納米之后，這種節(jié)點(diǎn)的升級(jí)變成受到功耗限制的升級(jí)。FPGA的功耗目標(biāo)是：低功耗的FPGA在0.25W和3W之間，高速FPGA在2W到20W之間。每次升級(jí)邏輯單元密度要增加2倍，而功耗保持不變。在這種情況下，解決靜態(tài)功耗快速攀升的辦法主要包括：一是對(duì)電路采取不同厚度的氧化層、不同的閾值電壓并增加邏輯門長(zhǎng)度；二是“用性能來換功耗”。通過基礎(chǔ)架構(gòu)的優(yōu)化來獲得更高的性能，然后通過降低性能來換取較低的功耗。在動(dòng)態(tài)功耗方面，通過采用低介電系數(shù)材料來降低電容，從而降低動(dòng)態(tài)功耗。

此外，Altera還開發(fā)出可編程功率管理技術(shù)。傳統(tǒng)上，所有高性能FPGA都采用高性能架構(gòu)，每一個(gè)邏輯單元都達(dá)到最大性能，因此有較大的漏電流。因?yàn)椴恍枰獙⑺羞壿媶卧贾糜诟咝阅軤顟B(tài)，只有少量關(guān)鍵通路需要性能最好的邏輯以達(dá)到時(shí)序要求，可編程功耗技術(shù)使FPGA的邏輯架構(gòu)能夠根據(jù)某些邏輯通路的要求，在邏輯陣列模塊層面上進(jìn)行編程，少量的關(guān)鍵時(shí)序電路采用高速設(shè)置，其他的則采用低功耗設(shè)置。通過可編程功耗技術(shù)，F(xiàn)PGA的靜態(tài)功耗降低了45%。

在高速I/O的模擬/射頻挑戰(zhàn)方面，基于數(shù)字工藝的模擬產(chǎn)品遇到了一系列挑戰(zhàn)，包括晶體管氧化層厚度很薄，短溝道效應(yīng)引起模擬電路的增益降低，數(shù)字電路采用的應(yīng)力技術(shù)引起模擬電路特性的不一致。但由于電路提供了多種器件、不同的氧化層、不同的閾值、不同電壓可供優(yōu)化，而且，采用特殊工藝可以滿足模擬電路關(guān)鍵晶體管的性能要求。這些辦法使40納米產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了速率高達(dá)10Gbps的收發(fā)器產(chǎn)品。

采用這些技術(shù)，Altera公司40納米器件正在如期開發(fā)中，今年年底將推出的StratixIV，最多可支持48個(gè)收發(fā)器，頻率最高達(dá)到8.5Gbps。

ARM中國(guó)區(qū)總裁譚軍：選擇IP要考慮先進(jìn)工藝問題

技術(shù)進(jìn)步是行業(yè)變革的基礎(chǔ)。技術(shù)進(jìn)步帶動(dòng)了產(chǎn)品的微型化，芯片成本降低，與此同時(shí)產(chǎn)品的復(fù)雜程度也提高了。而，尤其是移動(dòng)/便攜產(chǎn)品是芯片公司將他們的設(shè)計(jì)從130納米/90納米轉(zhuǎn)向65納米的驅(qū)動(dòng)力。以手機(jī)為例，現(xiàn)在一部手機(jī)需要支持多種無線標(biāo)準(zhǔn)，3.5代移動(dòng)、藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)、導(dǎo)航、調(diào)頻、多媒體廣播等，這帶動(dòng)了芯片設(shè)計(jì)對(duì)65納米的需求。

65納米工藝將提高產(chǎn)品的性能、降低產(chǎn)品的功耗和尺寸(也就降低了成本)，從而在同樣的空間內(nèi)填入更多的晶體管。但設(shè)計(jì)復(fù)雜度也在增加：一是基礎(chǔ)架構(gòu)的復(fù)雜程度不斷增加。二是物理層的性能尺寸達(dá)到原子級(jí)。晶體管的厚度只有幾個(gè)原子的大小，線寬比光波波長(zhǎng)還要小，微小的雜質(zhì)會(huì)產(chǎn)生毀滅性的影響。三是在系統(tǒng)層方面，更多的接口與“視圖”需要在EDA(設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具)環(huán)境下操作。四是在實(shí)用層，驗(yàn)證每個(gè)元素所需要的計(jì)算能力顯著增高。五是結(jié)構(gòu)庫不僅僅需要正常工作，還需要滿足生產(chǎn)上的挑戰(zhàn)。六是“好”庫的開發(fā)有新方向，對(duì)生產(chǎn)成本產(chǎn)生主要影響。

65納米的挑戰(zhàn)包括靜態(tài)功耗、可制造性設(shè)計(jì)DFM以及器件變異。

設(shè)計(jì)65納米芯片的成本遠(yuǎn)高于130納米。無晶圓廠芯片設(shè)計(jì)廠商(Fabless)在通過65納米供應(yīng)商選擇一個(gè)物理IP（半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)）的時(shí)候也需要考慮以下問題：先進(jìn)工藝技術(shù)的挑戰(zhàn)，包括晶體管滲漏、DFM（可制造性設(shè)計(jì)）以及器件變異。需要多重物理IP平臺(tái)，包括基于面積/功耗優(yōu)化庫、為高端性能定制優(yōu)化庫以及為CPU定制的優(yōu)化庫。

中芯國(guó)際SoC研發(fā)中心技術(shù)處長(zhǎng)吳漢明博士：資金短缺是新工藝研發(fā)攔路虎

技術(shù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展方向離不開市場(chǎng)的導(dǎo)向。隨著移動(dòng)設(shè)備的市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng)，從90納米以后，特別是65納米和45納米，每一個(gè)新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)展都以低功耗產(chǎn)品為優(yōu)先方向。而對(duì)于Intel這樣以CPU技術(shù)和產(chǎn)品為主導(dǎo)的公司，針對(duì)高性能器件的研發(fā)總是優(yōu)先的。

技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)不外乎是在性能、成本和功耗三者之間尋找發(fā)展方向。130納米以前，每一代新技術(shù)都能在性能上帶來不少好處。但是從90納米技術(shù)以后，這種改善變小了。除非革命性的器件結(jié)構(gòu)被成功采用(例如高K材料的應(yīng)用)，否則器件性能上的改善程度并不明顯，而更多地體現(xiàn)在集成度的提高和成本價(jià)格的降低。例如，65納米技術(shù)比90納米的性能僅僅有5%～10%的提升，而從65納米到45納米的技術(shù)推進(jìn)，主要的好處體現(xiàn)在芯片的集成度有明顯提高(從而使得同樣面積上的功能更加豐富)以及成本與價(jià)格的降低。

隨著器件特征尺寸的不斷縮小，研發(fā)成本呈指數(shù)上升。尤其在成套的產(chǎn)品工藝方面更是如此。譬如，進(jìn)入65納米以后，英特爾在每一技術(shù)代的成套工藝研發(fā)成本都在20億美元-30億美元，而且需要大量高級(jí)人才的投入。作為后來者，中芯國(guó)際要趕上世界集成電路的發(fā)展步伐，面臨的挑戰(zhàn)除了來自資金和人才，還有世界集成電路行業(yè)龍頭企業(yè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局。為了應(yīng)付這些出于商業(yè)利益的知識(shí)產(chǎn)權(quán)訴訟，國(guó)內(nèi)的企業(yè)必須加強(qiáng)在工藝研發(fā)上的投入。然而，這種資金投入量之大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國(guó)內(nèi)新生的集成電路制造企業(yè)的承受能力。國(guó)家對(duì)于這種先進(jìn)工藝技術(shù)的研發(fā)支持力度需要加大。雖然國(guó)家在這方面的投入在“十一五”重大專項(xiàng)中有不少提高，但是在工藝方面的支持比例還需要更大的提高，才能使國(guó)內(nèi)的集成電路制造企業(yè)從根本上擺脫工藝上受制于人的困境。[!--empirenews.page--]

Magma(中國(guó))公司資深技術(shù)工程師邵憲平：低功耗設(shè)計(jì)是關(guān)鍵

目前，、計(jì)算機(jī)和產(chǎn)品仍然是市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要推動(dòng)力。人們對(duì)多用途、高性能、小型化、低功耗以及廉價(jià)產(chǎn)品的追求迫使芯片設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)向更新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)65納米和45納米。

65納米IC設(shè)計(jì)規(guī)模極為龐大，復(fù)雜度高，大多采用層次化物理設(shè)計(jì)和低功耗設(shè)計(jì)流程，這使65納米節(jié)點(diǎn)IC設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)規(guī)模隨之增加。在典型情況下，設(shè)計(jì)成本是隨著設(shè)計(jì)類型的不同而改變的。65納米工藝節(jié)點(diǎn)管理成本是隨著計(jì)劃團(tuán)隊(duì)規(guī)模越來越大而呈現(xiàn)增長(zhǎng)之勢(shì)。與90納米的12%到15%相比，65納米的計(jì)劃管理成本占總設(shè)計(jì)成本的比例大幅上升到20%至25%。造成65納米設(shè)計(jì)成本高昂的另一個(gè)原因是該設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)尚處于非常初級(jí)的階段，投片費(fèi)、設(shè)計(jì)成本以及設(shè)計(jì)工具費(fèi)用都相對(duì)較高。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)的周期不但沒有增加，反而還在迅速縮短。

在65納米設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)可靠的電源網(wǎng)絡(luò)和最小的功耗已經(jīng)成為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的低功耗設(shè)計(jì)需要在設(shè)計(jì)流程的不同階段進(jìn)行權(quán)衡，諸如針對(duì)時(shí)序?qū)β省⒚娣e對(duì)功率等因素進(jìn)行折中，工程師要準(zhǔn)確高效地完成這些技術(shù)因素之間的權(quán)衡。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的，設(shè)計(jì)師需要授權(quán)使用正確的低功耗分析和最優(yōu)化引擎，這些功能要求集成在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中。此外，在65納米芯片設(shè)計(jì)中，約有50%的設(shè)計(jì)工作是混合信號(hào)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)流程與數(shù)字工作處于完全隔離的狀態(tài)，如何把模擬和數(shù)字信號(hào)設(shè)計(jì)緊密整合為一體，減少模擬和模塊整合的迭代次數(shù)，也是縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期的一個(gè)重要因素。

Magma提供完整的針對(duì)65納米/45納米的信號(hào)設(shè)計(jì)以及混合信號(hào)設(shè)計(jì)解決方案。我們提供自動(dòng)芯片創(chuàng)建系統(tǒng)Talus，而TalusPower和QuartzRail內(nèi)嵌在Talus的完整流程中并提供完整的功耗分析和優(yōu)化方案，Titan提供全芯片級(jí)混合信號(hào)設(shè)計(jì)、分析以及驗(yàn)證。我們的工具能夠在納米設(shè)計(jì)時(shí)代為用戶帶來更為便捷、高效的幫助。