基于FPGA的65nm芯片的設(shè)計(jì)方案

　　隨著工藝技術(shù)向65nm以及更小尺寸的邁進(jìn)，出現(xiàn)了兩類關(guān)鍵的開發(fā)問題：待機(jī)功耗和開發(fā)成本。這兩個(gè)問題在每一新的工藝節(jié)點(diǎn)上都非常突出，現(xiàn)在已經(jīng)成為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨的主要問題。在設(shè)計(jì)方法上從專用集成電路(ASIC)和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)轉(zhuǎn)向可編程邏輯器件(PLD)將有助于解決這些問題。

　　過去，半導(dǎo)體行業(yè)一直關(guān)注的兩個(gè)目標(biāo)是縮小體積和提高速率。近40年來，對(duì)這些目標(biāo)的追求促使行業(yè)發(fā)展符合摩爾定律，性能和電路密度每18個(gè)月翻倍。導(dǎo)致技術(shù)高速發(fā)展，蘊(yùn)育了計(jì)算機(jī)革命、互聯(lián)網(wǎng)革命以及現(xiàn)在的無線通信革命。

　　但同時(shí)也為此付出了代價(jià)。一種代價(jià)是物理上的。工藝技術(shù)上的每一次進(jìn)步都使得芯片晶體管的“關(guān)斷”電流增加，也就是待機(jī)功耗在增加。另一代價(jià)是金錢。每一工藝節(jié)點(diǎn)的開發(fā)成本呈指數(shù)增加。65nm時(shí)代的設(shè)計(jì)必須解決這些代價(jià)問題。

　　人們采用了很多系統(tǒng)級(jí)和芯片級(jí)方法來處理動(dòng)態(tài)功耗。在系統(tǒng)級(jí)上，采用動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)，確保只對(duì)工作電路上電，大大降低了器件的平均功耗，從而減少了和功耗相關(guān)的問題。

　　工藝上的進(jìn)步降低了芯片級(jí)的動(dòng)態(tài)功耗

　　一是縮小了晶體管體積，減小了晶體管的等效電容(C)。因此，縮小體積使動(dòng)態(tài)功耗隨之線性下降。同樣，減小供電電壓會(huì)使動(dòng)態(tài)功耗呈指數(shù)下降，是降低動(dòng)態(tài)功耗的重要措施。0.9V~1.0V范圍內(nèi)的供電方式幾乎都采取了這一措施來降低功耗。

　　降低動(dòng)態(tài)功耗的另一工藝進(jìn)步是在130nm工藝上引入了全銅互聯(lián)和低K金屬層絕緣技術(shù)。這些工藝創(chuàng)新大大降低了互聯(lián)阻抗和電容，不但減小了晶體管開關(guān)功耗，而且還降低了芯片信號(hào)和內(nèi)部電源走線的IR壓降。

　　動(dòng)態(tài)功耗下降而漏電流增大

　　然而，半導(dǎo)體物理規(guī)律卻表明工藝尺寸下降對(duì)待機(jī)功耗有不利的影響。工藝尺寸縮小后，隨著晶體管邏輯門厚度和溝道長(zhǎng)度的減小，這些晶體管的柵極和漏極泄漏電流呈指數(shù)增大(圖1)，而這是影響待機(jī)功耗的主要因素。通過使用較長(zhǎng)的溝道以及較厚的氧化層來控制泄漏電流將導(dǎo)致開關(guān)速率下降，因此，工藝開發(fā)人員不得不折衷考慮速率和功耗。

　　工藝尺寸縮小，連線的寬度和高度也隨之減小，對(duì)功耗有不利的影響。減小銅連線的尺寸增強(qiáng)了電子散射和粒子邊界效應(yīng)。從而增大了連線阻抗，導(dǎo)致電路延遲和IR壓降增大。在45nm以下，這些效應(yīng)會(huì)更加明顯。

　　工藝尺寸不斷縮小的結(jié)果之一是導(dǎo)致待機(jī)功耗成為芯片總功耗中的重要因素。同時(shí)，芯片用戶關(guān)心的問題從動(dòng)態(tài)功耗轉(zhuǎn)向待機(jī)功耗。由于待機(jī)功耗的增大，許多通信器件分開考慮總功耗預(yù)算和待機(jī)功耗預(yù)算，并逐步增加待機(jī)功耗預(yù)算的比例。由于這些器件大部分時(shí)間處于待機(jī)模式，因此，待機(jī)功耗成為最主要的問題。

　　與動(dòng)態(tài)功耗不同，還沒有簡(jiǎn)單的方法來降低待機(jī)功耗。芯片開發(fā)人員不得不使用復(fù)雜的工藝和電路設(shè)計(jì)方法，犧牲晶體管速率來提高Vt，并采取延長(zhǎng)溝道長(zhǎng)度等措施。

　　目前已經(jīng)有技術(shù)突破來解決速率和待機(jī)功耗的問題。一種是應(yīng)變硅，該技術(shù)將空穴和電子對(duì)的移動(dòng)能力提高了50%，從而提升了器件速率。與其它技術(shù)進(jìn)步不同，應(yīng)變硅雖然提高了速率，但是并沒有增加待機(jī)功耗。然而，它必須在芯片設(shè)計(jì)中采用新的布版規(guī)則，要求較嚴(yán)，導(dǎo)致了限制設(shè)計(jì)規(guī)則(RDR)這一概念的產(chǎn)生。RDR和可制造設(shè)計(jì)(DFM)在65nm以及更小工藝尺寸上越來越重要。

　　設(shè)計(jì)規(guī)則使開發(fā)過程越來越復(fù)雜

　　DFM重要性的增加以及RDR的出現(xiàn)導(dǎo)致芯片設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。物理設(shè)計(jì)尤其需要更多的資源和簡(jiǎn)捷的物理設(shè)計(jì)自動(dòng)工具。這些規(guī)則妨礙了版層重用，增加了新技術(shù)采用硬件IP模塊的難度。結(jié)果導(dǎo)致在芯片設(shè)計(jì)上加大投入，需要更多的資源來處理新技術(shù)中的布版和設(shè)計(jì)問題。

　　除了越來越高的開發(fā)成本以外，芯片開發(fā)人員還面臨其它的成本難題。65nm器件僅模板成本就高達(dá)2百萬美元，而45nm器件模板成本會(huì)超過3百萬美元。理想情況下，強(qiáng)大的財(cái)務(wù)支持是任何業(yè)務(wù)投入的基礎(chǔ)，包括芯片開發(fā)計(jì)劃等。然而，很多芯片開發(fā)項(xiàng)目缺乏足夠的資金支持。

　　為了很好地進(jìn)行財(cái)務(wù)分析，開發(fā)人員必須考慮時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)、收益和成本等一系列因素。盡管這看起來很難，但可以歸結(jié)為經(jīng)過認(rèn)真設(shè)計(jì)的投資回報(bào)(ROI)分析(圖2)。在很多情況下，分析表明，產(chǎn)品生命周期的總收益應(yīng)是研發(fā)投入的5倍~10倍，這樣才能收回開發(fā)成本。簡(jiǎn)單地看一下以收益百分比表示的研發(fā)開支(10%~20%)，大部分成功的公司都會(huì)得出相同的結(jié)論。