55nm創(chuàng)新工藝震動(dòng)消費(fèi)類終端ASIC設(shè)計(jì)服務(wù)市場(chǎng)

兼容65nm IP、功耗大幅降低堪比40nm，富士通半導(dǎo)體ASIC/COT業(yè)務(wù)部明年將推出兩套創(chuàng)新的55nm工藝模型，對(duì)成本、上市時(shí)間和功耗極其敏感的消費(fèi)終端ASIC設(shè)計(jì)意義重大。

近日，在西安舉辦的2011中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)集成電路設(shè)計(jì)分會(huì)年會(huì)上，富士通半導(dǎo)體宣布其ASIC/COT業(yè)務(wù)部將在明年陸續(xù)推出兩套創(chuàng)新的55nm標(biāo)準(zhǔn)單元，可幫助中國(guó)便攜消費(fèi)類終端IC設(shè)計(jì)公司以65nm的成本水平實(shí)現(xiàn)功耗大幅降低、性能堪比40nm工藝的設(shè)計(jì)，引起與會(huì)業(yè)內(nèi)人士的高度關(guān)注，震撼全場(chǎng)。

據(jù)悉，富士通半導(dǎo)體這兩套新的55nm工藝是基于65nm技術(shù)而開發(fā)，可使客戶保護(hù)以往的投資。其中CS250L是基于對(duì)現(xiàn)有65nm后端工藝而優(yōu)化的全新標(biāo)準(zhǔn)單元、SRAM，可使整體功耗降低20%，芯片面積則節(jié)省15%左右。最大的特點(diǎn)是全套65nm IP不需要重新做移植，GDS可以直接可以使用。

另一個(gè)全新的55nm工藝制程CS250S是富士通半導(dǎo)體通過獲得Suvolta公司的授權(quán)后合作開發(fā)的。它是一項(xiàng)革命性的創(chuàng)新技術(shù)，通過全新設(shè)計(jì)的DDCTM晶體管，可以將現(xiàn)有65nm的功耗降低到原來的一半，而性能不受到任何影響，同時(shí)可很好地改善工藝生產(chǎn)造成的功耗波動(dòng)。

這兩項(xiàng)技術(shù)的推出，對(duì)于既要提高性能和增加功能，又要實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)續(xù)航能力的智能手機(jī)、平板電腦等便攜式消費(fèi)類終端應(yīng)用具有非凡的意義，且能實(shí)現(xiàn)快速上市并控制開發(fā)成本。

 
圖1：富士通半導(dǎo)體ASIC/COT部門最新的55nm低功耗工藝 CS250L和CS250S即將上市。

承前啟后：55nm工藝非常適合中國(guó)市場(chǎng)

低功耗的要求促使芯片設(shè)計(jì)者不得不追逐最新的40nm和28nm工藝，但這意味著巨大風(fēng)險(xiǎn)和投入，無論是工藝還是IP的投入和成熟度都在一定程度上阻礙了許多想法轉(zhuǎn)變成硅片。

據(jù)富士通半導(dǎo)體公司ASIC/COT產(chǎn)品線高級(jí)經(jīng)理劉琿介紹，從2010年開始已在中國(guó)看到越來越多的40nm設(shè)計(jì)，其中不乏幾千萬門級(jí)的智能終端IC。但正像劉琿指出的，40nm工藝超過百萬美元的一次NRE費(fèi)用讓人著實(shí)“傷不起”，加上IP方面不菲的投資以及整合驗(yàn)證，使得項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)很大。因此在40nm時(shí)代，與像富士通半導(dǎo)體這樣有實(shí)力的ASIC設(shè)計(jì)公司合作以降低風(fēng)險(xiǎn)和成本是越來越多IC公司的選擇。富士通半導(dǎo)體公司早在2008年就推出了40nm ASIC模型和工藝技術(shù)，并在繼續(xù)開發(fā)28nm ASIC模型。已將40nm以下的設(shè)計(jì)制造委托給臺(tái)積電，兩者在產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)技術(shù)方面都已能很好地協(xié)同，形成了戰(zhàn)略合作關(guān)系，成為富士通半導(dǎo)體的一種服務(wù)優(yōu)勢(shì)。

然而40nm工藝幾百萬美元的巨額投資和高風(fēng)險(xiǎn)還是令不少對(duì)成本非常敏感的消費(fèi)類應(yīng)用IC設(shè)計(jì)公司望而卻步，特別是實(shí)力本就不算強(qiáng)大的中國(guó)IC設(shè)計(jì)公司。但在蘋果iPad 2 A5處理器的“45nm召喚”下，中國(guó)廠商似乎不能停下追隨的步伐，想著如何迅速推出更高速度、更小占位面積、更低功耗的新一代IC，以便搶占市場(chǎng)先機(jī)。

如何以更低的投入最大化地利用主流的65nm工藝去設(shè)計(jì)產(chǎn)品是業(yè)界很多公司都在尋求的目標(biāo)。富士通半導(dǎo)體即將推出的創(chuàng)新55nm工藝可以說恰逢其時(shí)，也使中國(guó)消費(fèi)電子IC廠商又多了一種選擇，可不用急于往40nm節(jié)點(diǎn)冒進(jìn)，在實(shí)現(xiàn)接近功耗的同時(shí)不僅能保護(hù)現(xiàn)有在65nm上的IP投資，而且NRE的費(fèi)用仍像65nm一樣處于能承受的水平，因此非常適合中國(guó)的國(guó)情。

完整、經(jīng)過驗(yàn)證的IP加速上市時(shí)間
富士通半導(dǎo)體的ASIC/COT業(yè)務(wù)部門是一個(gè)完全獨(dú)立的業(yè)務(wù)部門，一直給人非常低調(diào)的印象。多年來，他們通過整合自身在半導(dǎo)體工藝技術(shù)、關(guān)鍵IP和先進(jìn)設(shè)計(jì)方法論上的巨大優(yōu)勢(shì)，一直在為包含終端消費(fèi)類應(yīng)用的IC客戶和高速網(wǎng)絡(luò)通信類的IC客戶提供可靠而又完整的ASIC解決方案和增值的服務(wù)。

早在上世紀(jì)90年代，該公司就在中國(guó)大陸開始推廣ASIC方案和設(shè)計(jì)服務(wù)，最初客戶以通訊和網(wǎng)絡(luò)IC公司為主。2006年，該公司又在中國(guó)開始推廣其日本代工廠的COT服務(wù)，以便為中國(guó)客戶提供90nm和65nm工藝的ASIC設(shè)計(jì)、IP、晶圓代工等多元化的服務(wù)，很多應(yīng)用如衛(wèi)星電視、CMMB等消費(fèi)類應(yīng)用芯片都是在富士通日本晶圓廠投片生產(chǎn)的（40nm以下設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)由臺(tái)積電代工）。從2008年開始起， 他們中國(guó)客戶中消費(fèi)類電子IC廠商的比重逐年升高。

“我們深諳中國(guó)市場(chǎng)的風(fēng)格，所以在服務(wù)上保持著靈活的風(fēng)格，確?？蛻舾詽M意的性價(jià)比實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的ASIC設(shè)計(jì)和制造。”劉琿說，“另外，從晶圓代工、IP授權(quán)、設(shè)計(jì)服務(wù)以及封裝測(cè)試，我們強(qiáng)調(diào)的是一站式增值設(shè)計(jì)服務(wù)，可將客戶的成本、風(fēng)險(xiǎn)、上市時(shí)間降至最低。”

上市時(shí)間是消費(fèi)類終端芯片產(chǎn)品取得成功的最重要因素，而迅速地整合IP資源是達(dá)到這一訴求的關(guān)鍵。富士通半導(dǎo)體提供非常完整的針對(duì)這類應(yīng)用芯片的解決方案，提供諸如USB、HDMI、PCIE、SATA、MIPI、ARM CPU、AD/DA電源管理等諸多經(jīng)過嚴(yán)格評(píng)估和量產(chǎn)驗(yàn)證的IP。而這些IP大部分都是富士通內(nèi)部開發(fā)的，如此省去了客戶為尋找各個(gè)IP而去和不同IP供應(yīng)商談判的時(shí)間。從芯片的風(fēng)險(xiǎn)角度來講，一旦芯片出現(xiàn)IP的質(zhì)量問題，客戶也無需為此而在各個(gè)IP供應(yīng)商之間周旋。從成本角度，富士通半導(dǎo)體所提供的打包IP方案也會(huì)幫助節(jié)省客戶初期的IP 投入。 

 
  圖2：富士通半導(dǎo)體可提供完整、經(jīng)過制造驗(yàn)證的高品質(zhì)IP。

上文提到的智能手機(jī)、平板電腦、智能電視等創(chuàng)新消費(fèi)類終端應(yīng)用需要有巨大的帶寬來支持，也就帶來通信網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)上傳輸設(shè)備技術(shù)的不斷革新的要求，從單模光纖傳輸10G到40G，再?gòu)?0G到100G，未來還再向400G甚至一“太”比特的傳輸級(jí)別發(fā)展。

超高速模擬混合IP（55G-65G CMOS ADC/DAC IP）的面市使得承載更大通信帶寬的100G技術(shù)提前成為現(xiàn)實(shí)，助推整個(gè)產(chǎn)業(yè)革命。目前富士通是全球掌握此項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠商，通過整合富士通其他高速通信接口IP（Serdes）和全球化的設(shè)計(jì)資源，富士通半導(dǎo)體在光傳輸網(wǎng)領(lǐng)域成為全球最有競(jìng)爭(zhēng)力的ASIC廠商之一。

據(jù)悉，目前已有多家世界頂級(jí)通信設(shè)備供應(yīng)商使用了富士通的IP應(yīng)用到100G網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)方案中，使得100G傳輸網(wǎng)在世界范圍內(nèi)比預(yù)期提前2年實(shí)現(xiàn)商用。劉琿頗有感觸地說：“這也許不像Apple對(duì)我們生活的改變那么直觀，但是大家都知道，如今的世界就是一個(gè)構(gòu)建在網(wǎng)絡(luò)上的世界，因此我可以自豪地說，富士通的ADC也是改變世界的幕后英雄！”

優(yōu)勢(shì)的ASIC設(shè)計(jì)方法論（methodology）
本次富士通半導(dǎo)體推出的針對(duì)消費(fèi)類終端的55nm創(chuàng)新工藝部分體現(xiàn)了富士通半導(dǎo)體在低功耗制程上所具備的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于通常都在上億門設(shè)計(jì)規(guī)模的100G網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備ASIC又該如何應(yīng)對(duì)功耗方面的挑戰(zhàn)呢？

 
     圖3:富士通半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整（DVS）設(shè)計(jì)技巧。

這類ASIC功耗都是幾十瓦，除了前面提到的那些低功耗技術(shù)肯定不足以解決問題，必須還有一些別的手段，比如Dynamic Voltage Scaling（DVS，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整）。為實(shí)現(xiàn)DVS，富士通半導(dǎo)體開發(fā)了Process Monitor和Temperature Monitor的獨(dú)特技術(shù)。 Process monitor可以在每個(gè)block中加一個(gè)，并可以直接連到SPI總線上。Temperature monitor已經(jīng)內(nèi)嵌入富士通提供的ADC、DAC和高速接口中，只需在芯片上加一些控制算法就可以監(jiān)控制程和溫度情況的變化，也可以用一些現(xiàn)成的片外芯片來控制。

有實(shí)例表明，使用了DVS的技術(shù)后，從fast corner到slow corner平功耗均都有20%多的降幅。而且fast corner和slow corner更加集中，對(duì)于封裝熱阻的考慮變得更加收斂。

對(duì)于其他很多挑戰(zhàn)諸如超高速信號(hào)的噪聲隔離，在芯片內(nèi)、封裝上以及PCB板上富士通半導(dǎo)體都開發(fā)了很多獨(dú)特的抗噪技術(shù)，在與客戶一起合作的ASIC芯片中，富士通的這些技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可幫助客戶在最短的時(shí)間設(shè)計(jì)出最可靠的芯片。 
 
圖4：富士通半導(dǎo)體ASIC/COT全球的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分布情況和大致服務(wù)流程。

劉琿介紹說，富士通半導(dǎo)體ASIC/COT部門在美國(guó)、歐洲、日本、新加坡、中國(guó)上海、香港都設(shè)有設(shè)計(jì)中心，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)方法論、技術(shù)資源的共享，以便更好地為本地客戶提供可直接面向制造的可靠設(shè)計(jì)服務(wù)。