基于AXIe中PCIe高帶寬及多模塊同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚賵D形傳輸系統(tǒng)

 摘要：E-Beam(電子束)微影技術(Lithography)是下一世代無光罩(maskless)半導體制程。通過無光罩微影技術可使微影制程突破目前20奈米或更小制程的限制。E-Beam 微影系統(tǒng)需要使用極高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將大量集成電路圖案數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)服務器先通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)解壓縮后，再通過數(shù)千條光纖并行傳輸至 E-Beam 機臺，且通道對通道間的時鐘偏移(skew)不得大于 2ns?；诟咄ǖ栏呙芏燃案邤?shù)據(jù)傳輸帶寬的需求，凌華科技采用AXIe平臺架構(gòu)來建置E-Beam 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。本文說明如何充分發(fā)揮 AXIe平臺的特點，來達成此數(shù)千通道同步的嚴格要求。

簡介

如上所述，E-Beam 無光罩式微影技術可突破傳統(tǒng)光罩式微影技術的限制。概念上就像一臺超高速的打印機。不同于打印機噴出墨水，E-Beam機臺的電子槍投射出數(shù)千組平行電子束，打印至覆蓋有光阻劑的晶圓表面，超過 8,000組電子束會通過 MEMS 數(shù)組來控制個別電子束的開關，而每個電子束開關的控制命令，則是通過個別的高速光纖輸出通道來做控制，因此會需要超過8,000個光纖輸出通道。為避免控制命令不同步造成電路圖案失真及錯誤，系統(tǒng)整體需求為所有光纖通道間數(shù)據(jù)的時鐘偏移不能超過 2ns。

可符合經(jīng)濟效益的產(chǎn)出標準為每小時 10片以上，換句話說每6分鐘要完成一片晶圓。每一個集成電路光罩檔案的數(shù)據(jù)量可高達 2.5TB，所以另一個挑戰(zhàn)是如何實時的將大量數(shù)據(jù)通過圖形傳輸系統(tǒng)，再通過8,000組以上光纖通道平行輸出到E-Beam機臺。此數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)處理后，可用于控制 E-Beam 系統(tǒng)上的電子束控制數(shù)組。為滿足這些需求，凌華科技采用基于AXIe系統(tǒng)的FPGA架構(gòu)解決方案進行數(shù)據(jù)處理及儲存。

AXIe的優(yōu)點

AXIe是基于AdvancedTCAR(先進電信運算平臺)開放式標準所衍生而來，針對高階量測儀器應用新制定的標準?；贏XIe所具備的以下特點，此圖形傳輸同步系統(tǒng)因此選定AXIe作為該系統(tǒng)的解決方案：

· 6U大尺寸板卡面積，提供足夠的空間容納高密度光纖輸出通道電路。

· 每槽可提供高達200瓦高功率的電源供應。

· 有高性能冷卻系統(tǒng)，足以解決高功耗所帶來的熱能。

· 高速PCIe (PCI Express) 總線架構(gòu)

· 高擴展彈性，單一AXIe機箱可容納1到14個插槽，而多組機箱可組成一套大量通道數(shù)的同步系統(tǒng)。

· 硬件平臺管理功能，包括機箱管理控制器、智能型平臺管理控制器以及熱插入的能力。

· 同步化(synchronization)及本地總線(local bus)功能可提供各槽所需的精確頻率。

圖形傳輸架構(gòu)

圖形傳輸系統(tǒng)包括計算機模塊、PCIe 轉(zhuǎn)換器模塊、多組數(shù)據(jù)傳輸模塊、14槽 AXIe 機箱、外接同步信號產(chǎn)生器以及磁盤陣列(RAID)系統(tǒng)，如圖2所示。

在電子束打印期間，計算機模塊通過 6 Gbps 的SAS接口，自數(shù)據(jù)中心(也就是磁盤陣列系統(tǒng))實時的存取集成電路圖文件至系統(tǒng)上的內(nèi)存儲存。PCIe切換器模塊位于分享器插槽(hub slot)，提供PCIe 通道自動切換功能，負責將儲存于內(nèi)存的集成電路圖文件，通過PCIe高速數(shù)據(jù)接口傳輸至不同的數(shù)據(jù)傳輸模塊。每個傳輸模塊均可支持 72 組光纖輸出通道。外部同步信號產(chǎn)生器則產(chǎn)生一組共同工作頻率及觸發(fā)信號來讓多個機箱可同步運作。

AXIe 大部分獨特的功能都被圖形傳輸系統(tǒng)所采用，包括：機構(gòu)設計及組裝、硬件平臺管理及監(jiān)控機制、電源分配機制、主動散熱系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸接口。

E-Beam系統(tǒng)機箱內(nèi)為較為復雜的同步化，須利用 AXIe STRIG 及 SYNC 信號，如此可確保點觸發(fā)系統(tǒng)達成規(guī)定的各槽極精確與低抖動的同步化。

通道間時鐘偏移 (Channel-to-channel skew)

E-Beam 系統(tǒng)的硬件設計可確保通道間的時鐘偏移最大不超過 2ns。自外部同步信號產(chǎn)生器開始，低偏移扇形輸出緩沖器(fan-out buffer)即用于外部同步信號產(chǎn)生器之中，做為將工作頻率及同步信號分配到各機箱切換模塊的用途。另外，切換模塊除提供 PCIe總線自動切換功能外，也負責切換 STRIG、SYNC及相關頻率信號，將這些同步信號分配到各插槽上的數(shù)據(jù)傳輸模塊。在數(shù)據(jù)傳輸模塊方面，除特別注意各頻率及數(shù)據(jù)信號在PCB上布線都須使用相等路徑長度外，在電路輸出部分也都采用低偏移緩沖器。最后處理過的數(shù)據(jù)會由Avago 平行光纖發(fā)射器

(AFB-810BHZ-TX) 輸出。綜合考慮 FPGA 內(nèi)部繞線及制程、光纖、連接器及 PCB 路徑等因素后，計算所得的總體通道間時鐘偏移可小于 1ns 以下。

圖 4：系統(tǒng)頻率圖

高帶寬圖形傳輸

除了跨 10 個機箱下嚴格的通道間歪斜的要求之外，系統(tǒng)還要求能夠?qū)崟r傳輸大量數(shù)據(jù)到光纖輸出通道。各圖形傳輸模塊配備四組高性能的 FPGA;一顆負責PCIe驅(qū)動接口，另外三顆各負責 24 個光纖通道的驅(qū)動接口，即單一數(shù)據(jù)傳輸模塊可提供 72 個光纖輸出通道。

集成電路圖案數(shù)據(jù)先自 RAID 磁盤陣列讀出后加載主板刀鋒服務器的內(nèi)存，再經(jīng)由PCIe 總線做直接內(nèi)存存取(DMA, direct memory access)傳輸?shù)絺€別的數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊上的 PCIe FPGA 接收 DMA 數(shù)據(jù)并存入模塊上的閃存，然后再傳輸?shù)礁鲌D形傳輸 FPGA 對應的 DDR3 內(nèi)存儲存。圖形傳輸 FPGA 內(nèi)建有客戶自定的解壓縮算法，解壓縮后的數(shù)據(jù)會通過光學發(fā)射器做同步數(shù)據(jù)輸出。示意圖請參見圖 5：

其中DDR3 內(nèi)存切割為兩個區(qū)塊，以便實現(xiàn)「乒乓(ping-pong)」技術，也就是可讓大量數(shù)據(jù)同時間進出內(nèi)存以優(yōu)化讀/寫帶寬。各光纖輸出通道的圖形檔案大小可達 300MB，換句話說，一個插滿12張數(shù)據(jù)傳輸模塊的機箱總共會需約260GB的檔案大小。

先前提到符合經(jīng)濟效益的產(chǎn)出標準為每6分鐘要完成一片晶圓，所以整體上會需要至少725MB/秒的連續(xù)數(shù)據(jù)帶寬，通過這樣的運作模式，另一組完全不同的晶圓電路圖文件，也可在前片晶圓制作完成前可完成下載，以實現(xiàn)少量多樣的高性能產(chǎn)出。

總結(jié)

凌華科技基于FPGA架構(gòu)的AXIe 圖形傳輸系統(tǒng)，對于無光罩 E-Beam 微影制程應用，提供高效率集成電路圖形數(shù)據(jù)處理、傳輸，以及數(shù)據(jù)同步的解決方案，整體系統(tǒng)跨通道間時鐘偏移低于2ns，且應用AXIe的幾項特色，包含可提供大功率電源、有效散熱及高可靠度及擴充性，可符合實際半導體生產(chǎn)制程的需求。