采用三柵極技術FPGA的突破性優(yōu)勢

　　引言

　　2013年2月，Altera公司與Intel公司共同宣布了Altera下一代最高性能FPGA產品的生產將獨家采用Intel的14nm 3D Tri-Gate(三柵極)晶體管技術。這使得Altera成為當前采用最先進、最高性能半導體技術的獨家專業(yè)FPGA供應商。本文介紹了三柵極及相關技術的歷史與現狀，以便了解三柵極技術對高性能FPGA性能的影響，以及其在數字電路速度、功率以及生產方面有何種程度的優(yōu)勢。

　　晶體管設計的背景

　　1947年，貝爾實驗室展示了第一支晶體管，采用的是鍺“點接觸”結構。1954年，硅被首次用于制造雙極型晶體管，但直到1960年才出現了第一支硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。最早的MOSFET為2D平面器件，其電流是從柵極下的硅表面上流過。在大約50年的時間里，MOSFET器件的基本結構實際上維持不變。

　　自從1965年摩爾定律提出以來，MOSFET工藝有了許多的改進與提高，這反過來也使摩爾定律越來越深入人心，并應用于半導體產品規(guī)劃中。過去10年來，由于在應變硅和高K金屬柵方面的技術突破，MOSFET的性能與功耗一直在持續(xù)得到改善。

　　直到1991年，日立中央研究實驗室的Digh Hisamoto和另一研究小組發(fā)表了一篇論文，人們才認識到了3D(或“環(huán)繞”)柵極晶體管技術的潛能，它能增強MOSFET性能，并消除短溝道效應。該論文將所述3D結構稱為“耗盡型痩溝道晶體管”，或DELTA。

　　1997年，美國國防部高級研究計劃局將一個合約授予伯克利加州大學的一個研究團隊，要求開發(fā)一種基于DELTA概念的深亞微米晶體管。該項研究結果最早發(fā)布在1999年，該器件被叫做“FinFET”，因為晶體管幾何結構的中心呈鰭狀。

　　晶體管技術的重要轉折點

　　各家領先半導體公司的研發(fā)部門都在不斷地研究3D晶體管結構的優(yōu)化與可制造性。有些工藝與專利進展已經發(fā)表和共享，而有些仍保留在企業(yè)實驗室中。

　　半導體業(yè)研發(fā)投入的推動力是國際半導體技術發(fā)展路線圖(ITRS)，它由一些制造商、供應商和研究機構組成的一個聯盟負責協調和發(fā)布。ITRS提出可實現性能、功耗與密度不斷改善的晶體管技術需求以及實現這些目標的相應的研究項目。ITRS及其公開出版物通過有關應變硅、高K金屬柵以及現在的3D晶體管技術等的制造能力的結論與建議，來確保從摩爾定律獲益。按照ITRS提供的文件，以及對學術論文與專利資料文檔的分析，最近十年來3D晶體管技術的研究已經獲得了長足的進步。

　　接受與研究

　　近兩年來，有兩項重要的發(fā)布，使3D晶體管結構成為行業(yè)焦點并載入MOSFET晶體管技術史。

　　第一項出現在2011年5月4日，Intel公司宣布在其22nm半導體產品的設計與制造中采用了三柵極晶體管技術，在此之前，利用Hisamoto等在FinFET上的開發(fā)與優(yōu)化成果所做的研發(fā)已持續(xù)了十來年。它表明三柵極晶體管結構在半導體生產中的實用性和成本效益都得到了確證，同時也表明了Intel在半導體技術方面繼續(xù)處于領先地位。

　　第二項是ITRS技術路線圖的發(fā)布，很多其他半導體制造公司也對此有貢獻，它們認定3D晶體管技術是20nm或22nm的更小設計結點上所有遞增半導體進展的主要推動力。

　　三柵極設計的主要優(yōu)點

　　三柵極晶體管的3D幾何形狀與結構提供了一系列優(yōu)于平面晶體管結構的重要改進，所有這些均與圍繞源漏“溝道”的MOSFET“柵極”的“環(huán)繞”效應有關。這些優(yōu)點表現在更高的性能、降低的動態(tài)功耗和泄漏功耗以及晶體管設計密度，還有減少了晶體管對帶電粒子單事件翻轉(SEU)的敏感度，見圖1。

　　圖1：平面與三柵極晶體管結構的有效溝道寬度

　　三柵極晶體管幾何結構較傳統平面結構的主要優(yōu)點體現在導電溝道的有效寬度上。一支晶體管的電流驅動能力和性能與其有效溝道寬度成正比。相較平面晶體管來說，3D晶體管結構的有效溝道寬度得到了顯著的提高，因為它能在第三維度上擴展寬度，而不會給設計面積帶來任何影響，見圖1。這就為晶體管的設計者提供了更好的設計靈活性和更高的性能，而不必像平面晶體管中那樣，增加溝道寬度就會對2D面積帶來不利影響。

　　功耗方面的優(yōu)點來自于三個鰭側的柵極電場對溝道的改進控制。與平面晶體管相比，這減少了“關斷”狀態(tài)下從源極到漏極的亞閾值漏電流。另外，三柵極晶體管的電源電壓可以大幅減小，而且由于與平面晶體管相比，增加了有效寬度，因此能保持優(yōu)異的速度。低電源電壓與降低的漏電流相結合，獲得了顯著的節(jié)能效果。

　　Intel公司在其Intel開發(fā)者論壇(2011、2012)中解釋說，這種功耗優(yōu)點源于三柵極晶體管的一種較陡峭的晶體管電壓曲線，見圖2。晶體管設計可以充分利用這種較陡峭曲線，顯著減小漏電流(相對同等性能的平面晶體管)，或大大提高性能(晶體管工作速度)，或同時獲得兩種好處。

　　圖2：三柵極晶體管結構提供了更陡峭的電壓曲線

　　每一代新的硅制造技術通常都會縮減幾何尺寸，或減小總體的柵極與晶體管結構，從而獲得更高密度和更高能力的硅片。3D三柵極結構本身也適應于更高密度的晶體管設計，因為它在第三維度上擴展了晶體管的寬度特性。這樣，設計者就能夠根據性能、功耗以及晶體管密度封裝等目標，在晶體管“鰭片”的尺寸與寬度兩方面做出權衡取舍。以Altera轉向14nm三柵極設計為例，Altera將獲得兩方面的好處，一方面是晶體管幾何尺寸縮小到14nm，另外，通過3D三柵極晶體管設計可得到更高的密度。

　　SEU優(yōu)勢來自于三柵極結構中連接鰭片與襯底的小截面積。這樣，可能收集到離子化粒子所產生電荷的面積就小于平面晶體管結構。根據Intel對其產品采用三柵極晶體管的22nm實現的早期測試，這降低了帶電粒子造成晶體管電路中位翻轉的概率。

　　量產中的三柵極器件

　　盡管對三柵極晶體管優(yōu)點的研究和了解已經持續(xù)了一段時間，但其接受與實現的最終動力將是技術與可制造性，以及性價比。

　　極小幾何尺寸下(40nm、28nm、22nm或20nm乃至更低)的先進半導體制造需要相當的研發(fā)開支，從而將該技術限制在少數有數十億美元資本開支能力的公司。于是，只有少數公司能夠從已知的3D晶體管技術優(yōu)勢中獲利。Intel公司是唯一一家已在22nm下完成這種設計與制造技術轉換的企業(yè)，可以在量產水平上，提供有關三柵極晶體管的全部成熟及可制造性的數據。到2013年第一季度時，該數據已經包括了1億單位的基于三柵極晶體管的產品。

　　為了獲得該技術在制造與設計方面的成熟度，針對3D柵極結構的多個問題與特性已經被認可并予以解決。這些包括對傳統平面設計中未予模型化的新的寄生電容值的建模，布局的依賴效應，以及用現有光刻設備來生成近距離翹片的雙模技術。

　　電子設計自動化(EDA)社區(qū)也是半導體設計者了解FinFET與三柵極設計技術的重要場合。2013年，Cadence與Synopsys等很多公司都做了大量的宣傳及用戶教育工作，中心內容是三柵極的影響，以及未來半導體產品設計中的靈活性。

　　對FPGA及其他半導體器件性能的影響

　　對FPGA電子產品的設計者而言，三柵極技術的主要優(yōu)勢是：摩爾定律持續(xù)適用于晶體管密度、性能、功耗以及單位晶體管成本的穩(wěn)步改進。它支撐著消費電子行業(yè)、計算平臺開發(fā)、軟件復雜性的提高、存儲器與存儲容量的增長、移動設備創(chuàng)意與發(fā)展，以及商務自動化與生產效率。

　　此外，該技術極大改善了對半導體靜態(tài)與動態(tài)功耗的控制。對于FPGA用戶，在當前的競爭性設計結點上，可編程邏輯推進到14nm技術甚至更低，就能具備較ASIC與ASSP設計方案更強大的競爭力，而在可編程性、性能、靈活性、開放計算語言(OpenCL)軟件設計輸入，以及DSP、收發(fā)器、硬化處理器和可配置I/O的集成方面，甚至有著更明顯的優(yōu)勢。

　　Intel公司根據三柵極技術在微處理器產品中量產的情況，向自己的普通投資者社區(qū)說明了他們能獲得的明確利益。該數據包括：從32nm平面轉到22nm三柵極設計時，單管動態(tài)功耗減少了50%以上;與32nm平面設計相比，22nm三柵極的缺陷密度曲線得到了改善;而從32nm平面轉到22nm三柵極設計時，SEU發(fā)生率降低至1/4至1/10。

　　Intel在晶體管技術方面的領先地位

　　在包括Intel的開發(fā)者論壇以及投資者的研討會在內的多個公開論壇上，Intel都以一系列與摩爾定律同步的進展表明了自己已有的技術領導地位。如圖3所示，Intel在應變硅與高K金屬柵極技術的量產實現方面，擁有多年制造領先地位。對于3D三柵極晶體管技術，Intel于2011年將22nm的三柵極技術投入生產，預計領先時間多達四年。

　　圖3：Intel在晶體管技術方面的領先地位

　　Intel公司CEO Paul Otellini在2013年4月16日的業(yè)績發(fā)布會上表示：“在(2013年)一季度，我們交付了第1億片采用我們革命性3D晶體管技術的22nm(三柵極)處理器，而業(yè)內其他人還在努力交付自己的第一片產品。”

　　Intel公司14nm技術的推出將獲得另一個領先優(yōu)勢，這可以回溯到它對工藝與微架構的極著名的“Tick-Tock(工藝年-構架年)”戰(zhàn)略。產品推出的“Tick”周期要依賴于CPU產品中微架構變動的實現，其后是半導體工藝制造幾何尺寸縮減“Tock”周期。Intel在從22nm轉到14nm時堅定地致力于全工藝尺度微縮;而其他制造商開發(fā)的半導體技術工藝則尚不明確，他們的工藝路線圖不知是否包括了工藝微縮的優(yōu)勢。

　　從Altera的FPGA獲得三柵極技術的好處

　　只有Altera 14nm工藝高密度高性能FPGA的用戶，才可能充分利用Intel三柵極技術的顯著優(yōu)勢。這是本文所述兩家公司專有制造合作關系的結果。

　　三柵極硅技術的巨大優(yōu)勢將使Altera能夠提供難以想象的高性能FPGA與SoC產品。這包括與其他高端FPGA相比，其核心性能實現了歷史性的翻番，將FPGA帶入GHz的性能水平。通過工藝、架構與軟件的共同進步，整體的靜態(tài)與動態(tài)功耗值都將減少70%。

　　雖然Intel公司尚未公開14nm制造工藝的詳情以及日程表，但Altera用戶現在就可以著手將三柵極技術的高性能與低功耗優(yōu)勢用于FPGA設計中?？梢蚤_始設計的是Arria 10的20nm FPGA器件組合。然后，用戶可以使用管腳對管腳(pin-for-pin)式設計遷移路徑，從Arria 10 FPGA與SoC產品遷移到Stratix 10 FPGA與SoC產品(一旦可用)。

　　這樣，無論您是FPGA用戶還是系統架構師，都可以著手設計出能夠同時兼容Arria 10和Stratix 10系列的產品，而盡量減少變更、修改和再工程化的工作量。于是，您就能用20nm工藝技術和降功耗技術，將最高性能和最低功耗的FPGA推向市場;然后，再利用Intel公司14nm三柵極制造工藝，就可以將這些相同產品推進到以往不可想象的性能與功率效率。

　　總結

　　過去，最高性能FPGA產品的判定是一個經驗性的參數性能評判過程。但從14nm三柵極技術開始，最高性能的FPGA一定是使用了具備明顯優(yōu)勢的晶體管技術的產品。只有Intel公司的14nm三柵極工藝才能提供第二代經驗證的生產技術。只有Intel公司的14nm工藝可同時提供三柵極技術的優(yōu)勢，以及全晶體管工藝微縮的好處。同時，Altera是獲準采用Intel這種技術的唯一一家主要FPGA公司。您的系統設計采用了三柵極技術后，將確保能夠充分利用到這種領先地位。