論eASIC如何實現(xiàn)ASIC價值重歸
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前言
在市場需求的驅(qū)動下，為了提高速度、減少功耗、降低成本，半導體工藝遵循著摩爾定律，已經(jīng)跨入深亞微米DSM時代。從180nm、130nm、90nm、65nm，再細到45nm。32nm、22nm似乎就在不遠的將來。若再往下縮減，晶體管的尺寸就接近單個原子，而原子無法縮減。為了追求尺寸更小、密度更高的器件而繼續(xù)微縮的代價將非常高昂，已經(jīng)意義不大了。而在另一方面，隨著半導體工藝的升級細化，ASIC設計的路也越走越艱難，越走越窄。Gartner研究中心多年來的市場跟蹤研究結(jié)果表明，ASIC設計項目數(shù)量的總體趨勢已經(jīng)無疑被認為是向下的。最新技術的ASIC設計費用已經(jīng)上升到一個很高點，以致許多中小規(guī)模的公司用不起而只能采用FPGA。不過，正在研發(fā)的各種降低ASIC設計費用的新方法有助于將ASIC的優(yōu)點回歸業(yè)界。 以eASIC為代表的結(jié)構(gòu)化ASIC廠家率先找到了一種做得起ASIC的途徑。eASIC獨特的過孔層布線定制專利技術使用戶能夠在短時間內(nèi)開發(fā)出高性能、低成本的ASIC和SoC。本文綜述深亞微米ASIC設計趨勢衰退的若干主要原因，分析兩種替代ASIC的器件FPGA和結(jié)構(gòu)化ASIC的長短處，介紹eASIC公司的新一代 45nm結(jié)構(gòu)化ASIC中的技術。闡明了深亞微米時代eASIC結(jié)構(gòu)化ASIC的路越走越寬。
深亞微米ASIC設計趨勢走向衰退
設計一款芯片通常需要考慮以下因素：一是產(chǎn)品的性能，包括速度、芯片大小、功耗和可靠性；二是產(chǎn)品成本因素，選擇什么工藝、采用什么技術來實現(xiàn)，包括生產(chǎn)制造成本、NRE費用和研發(fā)成本；第三是市場因素，上市時間，從概念到實現(xiàn)的整個周期時間。在半導體工藝不斷升級帶來了規(guī)模的擴大、速度的提升、芯片價格下降的同時，卻遇到一系列難以逾越的障礙：設計流程復雜、生產(chǎn)良率降低、設計周期太長，研發(fā)制造費用劇增等等。阻止了摩爾規(guī)律的延續(xù)。
高昂的NRE費用、封裝測試費用令人望而生畏。90nm芯片的開模費至少是80萬美元，65nm芯片的開模費高達200萬美元，而45nm芯片的開模費則達到800萬美元以上。工藝細化帶來的一個挑戰(zhàn)是芯片設計技術日益復雜，對EDA設計工具的要求也越來越高。面對幾百萬上千萬的門級規(guī)模、幾百兆上千兆赫茲時鐘頻率的高密度設計，設計工程師必須考慮更多的不確定因素，自然更容易產(chǎn)生更多的設計反復，導致設計周期越來越長。
在傳統(tǒng)的ASIC流程中，設計師通常只負責描述IC的邏輯功能，定義各種物理實現(xiàn)的約束條件：如時序、I/O連接、功能分割、時鐘以及信號完整性和功率完整性。晶圓廠負責開發(fā)一個實現(xiàn)以下部分的平臺：單元庫、I/O單元、嵌入式存儲單元、硅片制造、封裝、封裝元件的測試，并將這些經(jīng)過測試的元件提交給設計工程師。然而，進入DSM之后，硅片的特征結(jié)構(gòu)遠遠要小于光刻工藝的激光波長，常規(guī)的設計規(guī)則已經(jīng)不能適應生產(chǎn)工藝的要求。以往，設計師要面對的設計問題通常是STA時序收斂、IP驗證、IP適用性、DFT可測試設計。如今，設計工程師在設計驗證時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，串擾、開關功耗以及定時收斂等問題更加難以捉摸。信號的完整性、工藝可變性非常棘手。即使?jié)M足了設計規(guī)則，設計出來的產(chǎn)品往往無法確保能生產(chǎn)出來。造成生產(chǎn)良率上不去的根本原因就在于設計的東西往往無法制造。因此，設計工程師需要在設計的時候考慮對于可制造性的支持。而要做到這點，需要與晶圓廠的密切配合，了解制造工藝、制造規(guī)則以及參考參數(shù)。這就是所謂的可制造性設計DFM（Design For Manufacturing）。DFM包括參數(shù)良率、系統(tǒng)良率、隨機良率、可靠性、測試和診斷的六大設計。這些設計都與晶圓廠的缺陷度、設計測試的有效性有著密切的關系，因而要求設計工程師、工藝工程師、設備工程師與掩模制造工程師通力合作，方能共同完成DFM任務。DFM要求整個半導體產(chǎn)業(yè)鏈的高度合作。而到目前為止，設計界和制造界一直被視作相互獨立的兩個不同的實體。大多數(shù)設計工程師仍然被隔離在制造工藝的復雜性之外，僅使用由代工廠提供的“設計規(guī)則”和“推薦使用的規(guī)則”來完成設計的DRC。 [next]
所有這些工具成本、人工成本、時間成本、制造成本的猛增也就意味著設計的風險猛增。粗略估計，工藝每升一級，芯片的開發(fā)成本至少要翻番，甚至更多。在現(xiàn)階段，設計一款45nm的芯片要耗資上億美元。據(jù)報道，目前只有AMD、Altera、IBM、Intel、Freescale、Samsung、Sony、NEC、Matsushita、Renesas、Qualcomm、Toshiba、TI、eASIC等十幾家廠商發(fā)布了40/45 nm產(chǎn)品，未來采用32nm甚至22nm的廠商只會越來越少。
FPGA難以抑制泄漏功耗
在ASIC的替代品中，可編程邏輯器件FPGA堪稱平民與貴族。說它是平民，是因為不需要掩模，不產(chǎn)生NRE費用，入門門檻低，F(xiàn)PGA深受廣大設計者的歡迎。由于具有高度的靈活性，相對簡單的EDA工具和設計流程，用戶可以方便將FPGA器件編程為自己所需要功能的芯片。因此，F(xiàn)PGA占據(jù)了很多ASIC的領域，特別是在諸如通信、儀器、工業(yè)、軍工、航天等許多具有中小批量、多品種特點的市場，取得了驕人的業(yè)績。說它是貴族，是因為FPGA用硅片面積來換取靈活性的，天生不足表現(xiàn)為資源利用率低、價格昂貴。FPGA中80%的硅片面積被用作布線路由，要多繞許多路徑，要過許多用晶體管搭建的開關。將基于SRAM的查找表LUT邏輯單元組成邏輯電路所需要的邏輯層數(shù)比ASIC多。因此，速度遠遠落后ASIC。即使到了65nm，F(xiàn)PGA在性能上也只能相當于180nm的ASIC，而成本上與180nm的ASIC芯片并沒有優(yōu)勢。
盡管如此，F(xiàn)PGA在技術上近20年來發(fā)展迅速，向密度更高、速度更快發(fā)展，向低成本、低價格的片上系統(tǒng)方向發(fā)展，試圖拉近與ASIC的距離。Xilinx 已經(jīng)發(fā)布了65nm Virtex-5和Spartan 3。 Altera也發(fā)布了65nm Stratix III， 最近又發(fā)布了40-nm Stratix IV。為了適應多方面應用的需求，F(xiàn)PGA也在不斷改良架構(gòu)，包括減少邏輯層次，改進構(gòu)造塊之間的信號互連等。還嵌入了處理器、乘法器、收發(fā)器等一些標準單元的硬IP Core。
不過，F(xiàn)PGA碰到了一個難以克服的頑疾--堵不住的泄漏電流、壓不低的靜態(tài)功耗。半導體工藝不斷細化的一個顯著好處是芯片的動態(tài)功耗不斷下降。因為可以采用更低的工作電壓，此外更小的尺寸有助于減小芯片內(nèi)部分布電容。但在另一方面，由于晶體管體積的縮小，包括門極（柵極）泄漏電流以及源-漏泄漏電流在內(nèi)的靜態(tài)泄漏卻在逐漸增加，因此帶來的功耗成了一大頑疾。門極泄漏就是電子穿過阻止其運動的絕緣層產(chǎn)生的泄漏電流。而在晶體管處于關斷狀態(tài)時，仍會有少量電子從源極向漏極流動，這就是源-漏泄漏。早在2004年，Intel發(fā)現(xiàn)因靜態(tài)泄漏導致的功耗已占到芯片總功耗的25%。進入65nm之后，隨著管子體積的縮小，標準薄氧化層晶體管的靜態(tài)泄漏急劇增大。為了同時實現(xiàn)高密度和低漏電流，業(yè)界各方面都在不懈努力研究各種減少泄漏電流的方法。一種稱為三重門極氧化層(triple-oxide)技術的工藝通過有選擇地增加門極氧化層厚度來減少泄漏電流，同時又不犧牲性能。盡管這三重門極氧化層仍很薄，但這些晶體管的確展現(xiàn)出比標準薄氧化層晶體管更低的漏電流。Intel公司則推出了針對45nm技術的HK+MG晶體管。所謂HK（High-K）就是采用相對二氧化硅而言具有很高絕緣常數(shù)的材料，它可在晶體管的門極和通道間產(chǎn)生一個強大的場效應，并呈現(xiàn)出很高的電子絕緣特性。采用金屬門MG (Metal Gate)還能增強門的場效應。因此，HK+MG組合有助于顯著減少漏電流，增加門電容和驅(qū)動電流。
雖然技術上設法減少了泄漏電流，但是由于FPGA的基本邏輯單元顆粒是基于SRAM的查找表LUT，還需要用大量的開關晶體管。有同樣功能的FPGA芯片的晶體管數(shù)量遠遠多于ASIC芯片，因而功耗會遠遠大于ASIC芯片，這樣必定增加了系統(tǒng)的熱負荷。
還需要指出的一點是，在設計流程方面人們往往認為ASIC的后端設計有著非常長的時間和復雜度，也容易出問題。事實上，進入DSM階段之后FPGA的后端的復雜度也并非想象的那么容易。如果同樣的設計在ASIC的后端實現(xiàn)中很困難，那么在FPGA中情況有可能更加惡化。因為同樣功能的邏輯電路映射在FPGA中的邏輯層數(shù)會比映射在ASIC中的邏輯層數(shù)增加很多，導致時序收斂更加困難。 [next]
為了克服FPGA的功耗大、價格高的缺點，F(xiàn)PGA廠商也都推出了自己的結(jié)構(gòu)化ASIC技術，比如Altera的HardCopy。HardCopy是通過重新映射，把原來的FPGA邏輯用結(jié)構(gòu)化的ASIC方式實現(xiàn)。這種方案能夠比FPGA明顯地降低芯片的尺寸。但是帶來的后果是時序有變化。這種方案由于需要掩模，從而也有NRE的問題。此外，HardCopy只能針對少數(shù)幾種型號的FPGA，不適用其全系列器件。
eASIC 實現(xiàn)ASIC價值重歸
為了減少標準單元ASIC設計的高昂的前期投入，簡化設計流程，規(guī)避市場風險，結(jié)構(gòu)化ASIC應運而生。它們試圖在標準單元ASIC和FPGA之外中找到另外一條定做芯片的途徑。結(jié)構(gòu)化ASIC是半成品，要做成客戶定制的芯片仍然需要掩模，只不過掩模層數(shù)少一些?？偟膩碚f，結(jié)構(gòu)化ASIC能夠節(jié)省一半的NRE費用和設計時間，芯片的性能和功耗接近標準單元ASIC。但芯片價格的約是標準單元的1.5 ~2倍，因為其密度大約只有標準單元ASIC的50%~75%左右。結(jié)構(gòu)化ASIC的市場定位決定了其在ASIC與FPGA的夾縫中求生?；蛟S是因為半導體工藝升級換代太快了的緣故，大多數(shù)結(jié)構(gòu)化ASIC的優(yōu)勢還沒有來得及完全發(fā)揮出來，就被新工藝淘汰出局。直到在90nm之前，大多數(shù)結(jié)構(gòu)化ASIC在商業(yè)運作上都沒有FPGA成功。客戶要么更喜歡便宜的標準單元ASIC，要么更喜歡沒有風險的隨時都可重新編程的器件FPGA。除非把做ASIC的NRE降到微不足道，還要讓設計工程師避開復雜的后端設計的困擾，否則難以扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)化ASIC尷尬的局面。eASIC公司率先做到了這一點。
eASIC在2006年推出90nm的結(jié)構(gòu)化ASIC產(chǎn)品Nextreme。與其他結(jié)構(gòu)化ASIC不同之處在于，只要用單一過孔層就可實現(xiàn)各種設計電路的定制。對所有的設計而言，從硅片到每層金屬層都是通用的，唯一不同的是一層過孔Via6。 由于這一過孔層可直接用激光束打造，實現(xiàn)無掩模定制樣片，處理時間快了10倍。因而無需NRE費用，樣片時間縮短到4周。量產(chǎn)時也只要一層過孔掩模，所發(fā)生的費用很容易被消化。金屬布線標準化和過孔可編程定制是eASIC在結(jié)構(gòu)化ASIC上的獨門突破性技術。在短短1年半時間內(nèi)，eASIC 就完成了120多個項目設計。令人驚訝的是，在90nm Nextreme ASIC產(chǎn)品快速成功的基礎上，eASIC跳過了65nm直接奔向45nm，2008年8月4日發(fā)布了其45nm產(chǎn)品Nextreme-2，站在了業(yè)界的前列。
在45nm結(jié)構(gòu)化ASIC產(chǎn)品Nextreme-2系列中，eASIC基本保持了第二代產(chǎn)品中的全金屬布線，單一過孔編程定制的體系，只是將這一定制過孔層從第6層調(diào)整到了第4層。但在架構(gòu)上、基本邏輯單元eCell的顆粒結(jié)構(gòu)上和周邊的資源配置上做了重大改進。
eASIC改良了查找表（LUT）的結(jié)構(gòu)以進一步提供速度、降低功耗。摒棄了原有基于SRAM的查找表LUT結(jié)構(gòu)，改用可編程過孔Via接地或者接Vcc來替代SRAM的輸出。此外，還省去了LUT第一級的開關晶體管，如圖所示。因此省掉了大量的晶體管。大大降低了靜態(tài)泄漏，提高了開關速度，使效率達到了最高。在同樣的工藝水平中， 泄漏可以減少12%，速度提高17%，面積減少40%。與前一代90nm產(chǎn)品相比，靜態(tài)泄漏減少了50%，動態(tài)功耗降低70%，延遲縮短了45%。此外，通過過孔編程，切斷芯片內(nèi)部閑置的單元和存儲器的供電，還采取時鐘選通控制睡眠模式、動態(tài)功率管理。Nextreme-2系列采用特許半導體的45nm低功耗工藝生產(chǎn)制造，其邏輯組織架構(gòu)能夠提供高達700 MHz的性能。與最新工藝的FPGA相比，由于結(jié)合了三重氧化層晶體管、45nm 低功耗工藝和 eASIC 專利的功率管理結(jié)構(gòu)， Nextreme-2的功耗可以降低80%以上。
Nextreme-2系列還嵌入了硬IP Core，包含多達56條 MGIO （多G比特輸入輸出口）。每條IO都能工作在6.5Gbps，總計提供364Gbps帶寬。在高性能網(wǎng)絡應用中，如交換機、路由器、流量管理、城域網(wǎng)傳輸設備和移動回程設備， 由于具備 MGIO （多G比特輸入輸出口），Nextreme-2 將成為 FPGAs 和 ASICs之外最佳的選擇。Nextreme-2主要特征如下：
規(guī)模多達2千萬門 ；
真雙口RAM數(shù)量多達 30Mb；
2.4 TeraMACs 乘法累加器 DSP性能；
多達56條6.5Gbps收發(fā)器以及 1.25Gbps LVDS；
簡單的設計工具和設計流程 ；
6周即可出硅片；
沒有最小定貨量要求。
如前所述，對所有的設計而言，Nextreme和Nextreme-2從硅片到每層金屬都是通用的，唯一不同的是一層過孔。封裝也是預先確定好的。從前端設計、后端設計一直到芯片制造， eASIC的Nextreme和Nextreme-2平臺是在成熟的EDA平臺上采用最嚴格的設計規(guī)則開發(fā)出來的。因此設計工程師完全不必擔心后端的問題，諸如可制造性設計DFM、可測試性設計DFT、光學鄰近效應修正OPC、生產(chǎn)良率控制等都由eASIC負責處理。eASIC提供了一個經(jīng)過嚴格驗證和測試的平臺。迄今為止，客戶記錄一直是一次成功。
結(jié)束語
為了市場需求而創(chuàng)新的才有意義。eASIC掃平了深亞微米ASIC設計復雜、費用高昂等障礙，降低了ASIC門檻，同時解決了FPGA難以克服的靜態(tài)泄漏和高功耗。以其高性能、低功耗、低費用和快速上市時間等特點，標志著一個ASIC新紀元的開始。在深亞微米ASIC的競技場上，eASIC已經(jīng)展現(xiàn)出其巨大的潛力，路越走越寬。我們有理由相信，eASIC正在逆轉(zhuǎn)衰退的ASIC設計趨勢。
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