FinFET對動態(tài)功耗的影響

現(xiàn)在主要的代工廠都在生產(chǎn)FinFET晶體管，這些FinFET以創(chuàng)紀(jì)錄的速度實現(xiàn)了從設(shè)計到現(xiàn)貨產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變。FinFET的發(fā)展普及一直都比較穩(wěn)定，因為與平面器件相比，它們可以提供更低的功耗、更高的性能和更小的面積。這使得FinFET對智能手機(jī)、平板電腦及要求長電池壽命和高性能的其他產(chǎn)品來說極具吸引力。

當(dāng)Intel首次在22nm節(jié)點使用FinFET時，他們聲稱與bulk、PDSOI或FDSOI相比，F(xiàn)inFET在相同的總功耗條件下性能高出37%，或者在相同速度條件下功耗低50%。這些數(shù)據(jù)非常有吸引力，而且在向14nm及更小工藝節(jié)點發(fā)展時還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

圖1. FinFET的性能，功耗和面積優(yōu)勢

在使用功耗方面，控制功率泄漏對于平面器件，特別是在較小的節(jié)點來說，已然成為了一項艱巨挑戰(zhàn)。通過抬升溝道，包裹溝道四周的柵極，F(xiàn)inFET可以創(chuàng)建一種完全耗盡型溝道，從而克服平面晶體管的漏電流問題。FinFET所具有的更好的溝道控制能力可以用來實現(xiàn)更低的閾值和供電電壓。

雖然漏電流在FinFET中是受控的，但動態(tài)功耗占總功耗的很大部分。與平面晶體管相比，F(xiàn)inFET具有更大的引腳電容，因而會導(dǎo)致更高的動態(tài)功耗值。據(jù)CaviumNetworks描述，“與28nm工藝相比，F(xiàn)inFET的每微米柵極電容提高了66%，與130nm平面節(jié)點的水平相當(dāng)。”平面器件和FinFET器件的柵極電容值比較如圖所示。

圖2：與平面工藝相比之下的FinFET柵極電容。

那么這對設(shè)計工程師來說意味著什么呢?從實現(xiàn)角度看又會對設(shè)計流程造成怎樣的改變?動態(tài)功耗(也稱為開關(guān)功耗)在優(yōu)化過程中應(yīng)成為一個代價函數(shù)，必須在流程的所有階段加以充分考慮。

FinFET增加了物理設(shè)計流程的復(fù)雜性。更嚴(yán)格的設(shè)計規(guī)則和FinFET工藝要求(比如具有電壓閾值意識的間距設(shè)計、植入層規(guī)則等)，都將對綜合、布局、底層規(guī)劃和優(yōu)化引擎施加約束，從而直接影響設(shè)計的指標(biāo)。同時由于FinFET是在16nm/14nm工藝實現(xiàn)，多重圖案技術(shù)將自動成為使用FinFET的任何設(shè)計的一部分，這又增加了另一層的復(fù)雜性。

針對FinFET的設(shè)計自動化技術(shù)需要具有FinFET意識，以降低開關(guān)功耗，并提供具有功耗意識的RTL綜合、活動驅(qū)動型布局和優(yōu)化、時鐘樹綜合(CTS)功耗降低以及并行優(yōu)化動態(tài)與泄漏等功能。功耗優(yōu)化需要從設(shè)計流程的早期開始，架構(gòu)選擇需要具有功耗友好特性，以便確保設(shè)計在實現(xiàn)時具有最低的功耗。

數(shù)字實現(xiàn)過程是從RTL綜合開始的。由于FinFET被應(yīng)用于最新、最大的設(shè)計，RTL綜合引擎必須擁有在合理運行時間處理1億個以上門電路的能力。當(dāng)然，它還必須提供高質(zhì)量的結(jié)果，這可以在考慮芯片的所有因素后在全芯片級執(zhí)行RTL綜合來實現(xiàn)。執(zhí)行多個具有不同設(shè)計約束條件的綜合任務(wù)來探索不同設(shè)計方案也是很有用的。能夠觀察設(shè)計指標(biāo)如何相互影響有助于在滿足功耗、性能和面積指標(biāo)要求方面做出聰明的折中方案。

為了滿足功耗目標(biāo)，實現(xiàn)流程需要從綜合開始并貫穿整個物理設(shè)計流程，采取一系列的降功耗策略。最常見的策略包括多閾值庫、時鐘選通、多角落/多模式(MCMM)功耗優(yōu)化、引腳交換、寄存器集中、重映射和功率密度驅(qū)動型布局。RTL級功耗分析對于分析和修復(fù)設(shè)計流程早期出現(xiàn)的功耗問題來說非常重要。

在RTL和版圖之間交叉檢測的能力也有助于在設(shè)計流程早期識別和調(diào)試問題，并最大限度地減小最后一刻才發(fā)現(xiàn)問題的概率。

在先進(jìn)節(jié)點使用FinFET的設(shè)計實現(xiàn)工具必須在與各家代工廠的緊密合作下得到增強(qiáng)和更新。在代工廠、EDA公司和雙方客戶之間要開展大量的工程技術(shù)合作，以便芯片設(shè)計人員能夠充分發(fā)揮每種新工藝節(jié)點的優(yōu)勢。