65nm半導(dǎo)體工藝發(fā)展策略

摘要： 本文研究Altera在65nm工藝上的工程策略，介紹公司如何為客戶降低生產(chǎn)和計劃風(fēng)險，并同時從根本上提高密度、性能，及降低成本和功耗。

關(guān)鍵詞： 65nm；FPGA；功耗

引言

Altera在65nm半導(dǎo)體制造工藝上的發(fā)展策略是充分利用先進的技術(shù)和方法，以最低的成本為客戶提供性能最好的器件，同時降低客戶風(fēng)險，保證產(chǎn)品盡快面市。Altera在130nm和90nm器件上的市場份額表明，有效控制高端半導(dǎo)體技術(shù)中存在的風(fēng)險，能夠提高FPGA體系結(jié)構(gòu)在市場上的受歡迎程度。因此，早自2003年初以來，Altera就一直在穩(wěn)步開發(fā)和測試其65nm技術(shù)。本文研究Altera在65nm工藝上的工程策略，介紹公司如何為客戶降低生產(chǎn)和計劃風(fēng)險，并同時從根本上提高密度、性能，及降低成本和功耗。

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)達到新的極限，在65nm工藝節(jié)點上出現(xiàn)了特殊的產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計和交付挑戰(zhàn)。在130nm和90nm通道尺度上還可以處理的深亞微米效應(yīng)，包括功耗增加、工藝偏差以及參數(shù)失效等，成為65nm工藝最顯著的工程挑戰(zhàn)。這一工藝節(jié)點的IC開發(fā)存在很大的風(fēng)險，會影響FPGA的工藝和性能。由于許多客戶選擇了可編程邏輯作為減小風(fēng)險的策略，Altera應(yīng)用業(yè)界最前沿、最全面的方法來控制這種風(fēng)險。

65nm的功耗

邁向65nm工藝體現(xiàn)了Moore定律對密度和性能的預(yù)測。例如，與基于90nm的Stratix II器件相比，下一代65nm工藝Stratix FPGA系列在性能上高出20％，將進一步鞏固Altera在密度上的領(lǐng)先地位，并擴大Altera的器件優(yōu)勢。65nm工藝也將降低Altera Cyclone系列器件的成本，與競爭產(chǎn)品相比，具有更大的性價比優(yōu)勢。

然而，65nm工藝在性能上的提高會導(dǎo)致功耗明顯增加，器件可能會消耗過高的功率。如果不采用降低功耗的方法，由于靜態(tài)功耗增加，65nm工藝的功耗將成為關(guān)鍵問題。漏電流是導(dǎo)致靜態(tài)功耗增加的主要原因，漏電流包括65nm工藝上更薄的柵極氧化層隧道電流，以及亞閾值泄漏等(溝道和漏極至源極電流)。圖1顯示了這些漏電流源(藍(lán)色表示)是怎樣隨著邏輯門尺寸(綠色表示)的下降而增加的。同樣的，如果不采取特殊的功耗優(yōu)化措施，由于開關(guān)晶體管密度的增加以及開關(guān)頻率的增加，動態(tài)功耗也會增加。

 圖1  在更小的工藝尺寸上，靜態(tài)功耗會顯著增加

盡管不同應(yīng)用有不同的功耗要求，低功耗在成本、復(fù)雜度和可靠性上有明顯的優(yōu)勢，因此，降低功耗對任何硬件平臺總是有好處的。除了65nm工藝對功耗特性的要求之外，當(dāng)今的設(shè)計趨勢(例如，提高系統(tǒng)外形的緊湊度以及便攜性)，也大大增加了PLD對功耗的敏感程度。在某些“范圍受限”的應(yīng)用中，墻插電源是主要供電電源，系統(tǒng)外形非常小，而且非常薄，很難采用氣流、熱沉以及其他散熱管理方案。便攜式應(yīng)用是FPGA相對較新的應(yīng)用領(lǐng)域，在這種應(yīng)用中，電池使用時間對靜態(tài)和動態(tài)功耗提出了新的限制要求。設(shè)計目標(biāo)的變化促使功耗成為選擇PLD的首要標(biāo)準(zhǔn)。

“在需要的地方提高性能”—Altera降低功耗的策略

客戶使用的Altera器件和Quartus(r) II軟件是Altera的IC設(shè)計人員和軟件工程師密切合作、共同努力而設(shè)計實現(xiàn)的。例如，Altera的IC設(shè)計人員和軟件工程師采用通用共享模型集，綜合考慮功耗和性能，確定最佳方案是采用硬件還是通過軟件實現(xiàn)。Altera在降低65nm功耗上的策略是結(jié)合高級工藝技術(shù)、改進的結(jié)構(gòu)以及強大的軟件工具，盡可能滿足客戶的功耗和性能要求。Altera還為可編程邏輯提供當(dāng)今最精確的功耗估算工具。

Altera在降低功耗上的策略是幫助客戶盡可能的控制好功耗和性能，在這兩方面達到均衡。Altera的65nm低功耗策略包括：

■ 功耗最佳硅工藝
三次氧化
芯片應(yīng)變
低k絕緣
■ 用戶可選的內(nèi)核電壓
■ 可設(shè)置功耗技術(shù)
高性能模式
低功耗模式
■ Quartus II軟件中內(nèi)置的PowerPlay功耗分析和優(yōu)化工具

功耗最佳硅工藝

在65nm工藝中，Altera采用了三次氧化技術(shù)來降低漏電流。三次氧化提高了晶體管電壓閾值，但是會降低晶體管的性能，因此，Altera巧妙的采用了這種晶體管技術(shù)來降低功耗，同時為用戶設(shè)計提供最佳性能。Altera還使用了應(yīng)變硅，提高晶體管中的載流子移動能力，增加驅(qū)動電流，但是不會增加漏電流。最后，Altera使用低k絕緣工藝來隔離金屬層，減小了電容，從而直接降低了動態(tài)功耗。

用戶可選的內(nèi)核電壓

用戶可選的內(nèi)核電壓使客戶能夠選擇不同等級的功耗和性能。選擇最低的支持內(nèi)核電壓，平均降低30%的動態(tài)功耗。如果性能沒有達到要求，用戶可以選擇更高的電壓，然后使用不同的方法來降低功耗，而不會破壞時序要求，如圖2所示。

圖2  Altera在65nm工藝上降低功耗的方法包括工藝優(yōu)化和用戶可選的功耗優(yōu)化工具

可設(shè)置功耗技術(shù)

Altera對典型FPGA設(shè)計的分析表明，為達到最終用戶性能要求而設(shè)計的關(guān)鍵通道數(shù)量以及關(guān)鍵通道的速率對功耗影響較大。分析結(jié)果顯示，高密度FPGA中有10％的邏輯位于設(shè)計中的關(guān)鍵通道上。Altera可設(shè)置功耗技術(shù)將器件中的不同邏輯電路配置為運行在高性能模式或者低功耗模式中。利用這一獨特的技術(shù)，關(guān)鍵通道可以工作在高性能模式下，而設(shè)計的其余部分則工作在低功耗模式下，以使功耗達到最低值。采用這種強大的FPGA結(jié)構(gòu)特性，用戶能夠得到所需要的性能，滿足設(shè)計的特殊要求，同時降低器件其他部分的功耗。

通過使用Altera Quartus II 軟件，用戶可以實現(xiàn)這些功耗優(yōu)勢。該軟件具有PLD業(yè)界最精確的功耗工具，包括功耗優(yōu)化向?qū)?、功耗估算，以及功耗?yōu)化的三個步驟，具體如下所述：

■“功耗預(yù)知”邏輯綜合：Quartus II 軟件對設(shè)計進行綜合，減少或者去除高頻觸發(fā)邏輯，降低每一時鐘周期中訪問的RAM模塊數(shù)量。
■ 功耗預(yù)知布局布線：Quartus II 軟件對信號進行布局，減小電容，或者建立更省電的DSP模塊配置。
■ 功耗預(yù)知模式匯集：Quartus II 軟件對器件中沒有使用的部分進行設(shè)置，使其進入低功耗模式，從而降低了總功耗。

PowerPlay功耗分析和優(yōu)化工具

Quartus II 軟件含有PowerPlay功耗分析和優(yōu)化工具，根據(jù)時序約束，自動進行功耗優(yōu)化。設(shè)計工程師將時序約束設(shè)置為設(shè)計輸入流程的一部分，對設(shè)計進行綜合。PowerPlay功耗分析工具為每一邏輯區(qū)域自動選擇所需要的性能，通過功耗預(yù)知布局布線來降低功耗。這樣，最終設(shè)計能夠以最小功耗滿足客戶的時序要求。

Altera的功耗/性能優(yōu)勢

Altera在65nm工藝上的功耗策略顯著降低了65nm器件的漏電流。盡管業(yè)界普遍認(rèn)為65nm器件較大的漏電流會導(dǎo)致出現(xiàn)用戶無法承受的靜態(tài)功耗，但是Altera的65nm FPGA要比90nm FPGA和競爭65nm FPGA的靜態(tài)功耗低。通過積極采用創(chuàng)新的功耗降低技術(shù)，Altera的65nm FPGA動態(tài)功耗也要低于90nm FPGA和競爭65nm FPGA，而性能則大大提高。

除了更低的功耗以外，Altera還延續(xù)了對競爭65nm產(chǎn)品的性能優(yōu)勢。例如，一個設(shè)計從90nm Stratix II器件移植到65nm Stratix III器件后，在相同的工作頻率下，其功耗將會降低50％(參見表1)。希望通過從Stratix II FPGA轉(zhuǎn)向Stratix III FPGA來提高性能的用戶，在功耗上將會降低30％，同時在性能上提高20％。

采用FPGA設(shè)計軟件，通過從工藝創(chuàng)新到智能功耗管理的所有功耗管理措施，Altera用戶在65nm工藝上獲得了最大利益，得到了所需的性能以及最低的功耗。

獨特的冗余技術(shù)提高了器件產(chǎn)量

Altera是唯一使用專利冗余技術(shù)的可編程邏輯供應(yīng)商。在提高器件產(chǎn)量和器件可用性上，冗余是非常有效的方法。Altera在其FPGA中嵌入“冗余”列電路來實現(xiàn)這一技術(shù)。如果確定某一列存在制造缺陷，利用電熔絲停止使用該列，激活冗余列。這一技術(shù)保留了管芯，從而提高了硅晶片的總產(chǎn)量。

在工藝或者器件的早期階段，較大的管芯更容易受到缺陷的影響，因此，冗余技術(shù)對大管芯更有效。在大管芯器件中采用冗余技術(shù)能夠?qū)a(chǎn)量提高8倍，如圖3中的黃色曲線所示。通過這種方式，冗余技術(shù)提高了工藝周期早期的產(chǎn)量，迅速降低了成本。隨著制造工藝的成熟和缺陷密度的增大，冗余技術(shù)將繼續(xù)扮演重要角色，幫助Altera在今后將產(chǎn)量提高兩倍，如圖3中的藍(lán)色曲線所示?？傮w上，冗余技術(shù)在Altera目前的產(chǎn)品質(zhì)量中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，使Alera能夠比其他可編程邏輯供應(yīng)商更迅速的提供大批量質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，特別是高密度產(chǎn)品。

圖3  在產(chǎn)品生命周期中，冗余技術(shù)實現(xiàn)了更高的產(chǎn)量。管芯尺寸以及冗余器件和非冗余器件中好管芯總比例對比

全面的測試芯片程序降低了客戶的風(fēng)險

在130nm和90nm器件生產(chǎn)中，對于新半導(dǎo)體工藝體系結(jié)構(gòu)和器件特性的早期評估以及精細(xì)加工，測試芯片程序是非常有價值的工具。這一策略使Altera的這些器件產(chǎn)量穩(wěn)步實現(xiàn)量產(chǎn)，已經(jīng)證明是可編程邏輯行業(yè)的“特征點”。Altera在2003年4月下單生產(chǎn)了第一批65nm測試芯片，首批11款測試芯片用于仔細(xì)評估不同的電路、模塊和設(shè)計方法。Altera的測試芯片程序在業(yè)界是最全面的，在產(chǎn)品投產(chǎn)之前，可以對65nm工藝的所有單元進行評估。利用系列測試芯片，Altera采用了更多的特性和體系結(jié)構(gòu)單元對設(shè)計進行分析和驗證，包括早期技術(shù)評估、電路特性可行性測試和確定布線結(jié)構(gòu)，以及優(yōu)化等。

通過采集并分析測試芯片數(shù)據(jù)，Altera深入研究了各種隨機和系統(tǒng)偏差的影響，開發(fā)設(shè)計策略來降低甚至消除這些不利影響。Altera在測試芯片上的大量投入幫助客戶避免了前沿半導(dǎo)體設(shè)計中的風(fēng)險。對風(fēng)險管理的關(guān)注展示了Altera在可靠交付新技術(shù)產(chǎn)品上的承諾，Altera不會中斷或者以有限的產(chǎn)量向客戶供貨，也不會提供達不到要求的產(chǎn)品，不會象其他FPGA供應(yīng)商那樣推出還不成熟的器件。因此，Altera將會按計劃在年底推出第一款65nm產(chǎn)品，并在2007年達到量產(chǎn)。

結(jié)語

Altera為客戶提供最先進的技術(shù)，具有其所需要的優(yōu)點和性能，能夠幫助客戶快速開發(fā)和生產(chǎn)成功的創(chuàng)新產(chǎn)品。65nm工藝的確具有很多的優(yōu)勢，包括更高的性能和邏輯密度，以及低成本等，能夠體現(xiàn)可編程邏輯的價值所在，但同時用戶更加關(guān)注提高效能和降低風(fēng)險的問題。Altera利用可編程邏輯業(yè)界最完整的方法，充分發(fā)揮65nm工藝的優(yōu)勢，同時解決了可能對這一節(jié)點優(yōu)勢造成不利影響的功耗問題和制造挑戰(zhàn)。

參考文獻：

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2. Zemke, Lagu, Brelsford, "Numerical Analysis of Parasitic Effects in Deep Submicron Technologies," SNUG 2005.