評(píng)Xilinx的28nm從三重氧化物到HIGH-K

　　本文用老百姓看得懂的語(yǔ)言介紹前兩天XILINX 28nm FPGA所采用TSMC的HIGH-K金屬柵工藝(HKMG)新聞的重大意義。

　　跑冒滴漏的晶體管

　　近10年來(lái)，當(dāng)集成電路進(jìn)入亞微米階段，當(dāng)人們享受到摩爾定律帶來(lái)的好處時(shí)， 一朵烏云，一直籠罩在集成電路業(yè)界的上空，就是越來(lái)越嚴(yán)重的跑冒滴漏現(xiàn)象。 作為集成電路的最基本組成單元，晶體管，當(dāng)尺寸越來(lái)越小的時(shí)候，漏電缺越來(lái)越嚴(yán)重，不僅傳統(tǒng)漏電的地方漏，本來(lái)不該漏電的地方也開(kāi)始從涓涓細(xì)流滿滿發(fā)展成波濤洶涌。 就像上圖的那個(gè)漏水的水龍頭。

　　剛開(kāi)始，漏水的地方主要是出水口和進(jìn)水口直接的部分， 因?yàn)樗髦饕谶@里流動(dòng)。 慢慢地，水龍頭越來(lái)做越小，人們發(fā)現(xiàn)，主要的漏水的地方從原來(lái)的進(jìn)水口和出水口出，移到了中間用來(lái)擰緊水龍頭的部分。哪怕你不經(jīng)常開(kāi)關(guān)水龍頭，可這個(gè)地方會(huì)持續(xù)不斷地滲水。 如果拆開(kāi)水龍頭來(lái)看，出毛病的地方通常是一個(gè)橡膠作的皮墊。水龍頭尺寸做小了以后，皮墊的尺寸跟著縮小，以至于太薄，水直接從皮墊滲出。 就像這張圖：

　　多墊皮墊解決漏水問(wèn)題

　　皮墊太薄導(dǎo)致漏水解決辦法是什么?簡(jiǎn)單，多墊幾層皮墊，一層不夠兩層，兩層不夠三層。 這樣，中間漏水的問(wèn)題就可以暫時(shí)解決了。

　　用來(lái)進(jìn)行柵極絕緣的絕緣層，一般是用二氧化硅做的，相當(dāng)于水龍頭中的皮墊， 通常只需要一層。 但是，賽靈思的Virtex-2, 用了兩層氧化物。從90nm開(kāi)始賽靈思的Virtex-4，65nm Virtex-5，40nm Virtex-6，都采用了三重氧化物柵極的工藝，降低漏電流，從而達(dá)到降低靜態(tài)功耗的目的， 三重氧化物柵極長(zhǎng)得是這個(gè)樣子滴：

　　當(dāng)然，皮墊墊多了，跑冒滴漏解決了一些，可是開(kāi)關(guān)起來(lái)肯定不夠靈活，因此，這種工藝只是在非關(guān)鍵區(qū)域使用，比如用于配置FPGA的地方。 真正需要高速的區(qū)域，還是采用一層氧化物工藝。 因此 Virtex-2, 4,5, 6 盡管在降低功耗上做得很出色，可和精心設(shè)計(jì)的ASIC比，仍然有差距。 畢竟那么多閑置的資源在那里，每個(gè)跑冒滴漏一點(diǎn)，數(shù)千萬(wàn)個(gè)加到一起，就不是小數(shù)字。

　　賽靈思的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手沒(méi)有用三重氧化物這個(gè)方法，而是用統(tǒng)一抬高襯底電壓的方法，降低柵和襯底的電壓。此方法投機(jī)取巧，就像水龍頭漏水了，就把總閘關(guān)小一點(diǎn)，這樣，漏水雖然看上去小了，可是你想用水的時(shí)候，流出水的速度也大大降低。體現(xiàn)在性能上，就是所有的管子速度降低。