論eASIC如何實(shí)現(xiàn)ASIC設(shè)計(jì)趨勢(shì)

摘要：深亞微米ASIC設(shè)計(jì)趨勢(shì)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(zhǎng)短處，介紹eASIC公司的新一代 45nm結(jié)構(gòu)化ASIC中的技術(shù)。闡明了深亞微米時(shí)代eASIC結(jié)構(gòu)化ASIC的路越走越寬。

深亞微米ASIC設(shè)計(jì)趨勢(shì)走向衰退

設(shè)計(jì)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(shù)來實(shí)現(xiàn)，包括生產(chǎn)制造成本、NRE費(fèi)用和研發(fā)成本；第三是市場(chǎng)因素，上市時(shí)間，從概念到實(shí)現(xiàn)的整個(gè)周期時(shí)間。在半導(dǎo)體工藝不斷升級(jí)帶來了規(guī)模的擴(kuò)大、速度的提升、芯片價(jià)格下降的同時(shí)，卻遇到一系列難以逾越的障礙：設(shè)計(jì)流程復(fù)雜、生產(chǎn)良率降低、設(shè)計(jì)周期太長(zhǎng)，研發(fā)制造費(fèi)用劇增等等。阻止了摩爾規(guī)律的延續(xù)。

高昂的NRE費(fèi)用、封裝測(cè)試費(fèi)用令人望而生畏。90nm芯片的開模費(fèi)至少是80萬(wàn)美元，65nm芯片的開模費(fèi)高達(dá)200萬(wàn)美元，而45nm芯片的開模費(fèi)則達(dá)到800萬(wàn)美元以上。工藝細(xì)化帶來的一個(gè)挑戰(zhàn)是芯片設(shè)計(jì)技術(shù)日益復(fù)雜，對(duì)EDA設(shè)計(jì)工具的要求也越來越高。面對(duì)幾百萬(wàn)上千萬(wàn)的門級(jí)規(guī)模、幾百兆上千兆赫茲時(shí)鐘頻率的高密度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)反復(fù)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期越來越長(zhǎng)。

在傳統(tǒng)的ASIC流程中，設(shè)計(jì)師通常只負(fù)責(zé)描述IC的邏輯功能，定義各種物理實(shí)現(xiàn)的約束條件：如時(shí)序、I/O連接、功能分割、時(shí)鐘以及信號(hào)完整性和功率完整性。晶圓廠負(fù)責(zé)開發(fā)一個(gè)實(shí)現(xiàn)以下部分的平臺(tái)：?jiǎn)卧獛?kù)、I/O單元、嵌入式存儲(chǔ)單元、硅片制造、封裝、封裝元件的測(cè)試，并將這些經(jīng)過測(cè)試的元件提交給設(shè)計(jì)工程師。然而，進(jìn)入DSM之后，硅片的特征結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)要小于光刻工藝的激光波長(zhǎng)，常規(guī)的設(shè)計(jì)規(guī)則已經(jīng)不能適應(yīng)生產(chǎn)工藝的要求。以往，設(shè)計(jì)師要面對(duì)的設(shè)計(jì)問題通常是STA時(shí)序收斂、IP驗(yàn)證、IP適用性、DFT可測(cè)試設(shè)計(jì)。如今，設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，串?dāng)_、開關(guān)功耗以及定時(shí)收斂等問題更加難以捉摸。信號(hào)的完整性、工藝可變性非常棘手。即使?jié)M足了設(shè)計(jì)規(guī)則，設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品往往無(wú)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(shè)計(jì)的東西往往無(wú)法制造。因此，設(shè)計(jì)工程師需要在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮對(duì)于可制造性的支持。而要做到這點(diǎn)，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(shè)計(jì)DFM（Design For Manufacturing）。DFM包括參數(shù)良率、系統(tǒng)良率、隨機(jī)良率、可靠性、測(cè)試和診斷的六大設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)都與晶圓廠的缺陷度、設(shè)計(jì)測(cè)試的有效性有著密切的關(guān)系，因而要求設(shè)計(jì)工程師、工藝工程師、設(shè)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(wù)。DFM要求整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的高度合作。而到目前為止，設(shè)計(jì)界和制造界一直被視作相互獨(dú)立的兩個(gè)不同的實(shí)體。大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師仍然被隔離在制造工藝的復(fù)雜性之外，僅使用由代工廠提供的“設(shè)計(jì)規(guī)則”和“推薦使用的規(guī)則”來完成設(shè)計(jì)的DRC。

所有這些工具成本、人工成本、時(shí)間成本、制造成本的猛增也就意味著設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)猛增。粗略估計(jì)，工藝每升一級(jí)，芯片的開發(fā)成本至少要翻番，甚至更多。在現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)一款45nm的芯片要耗資上億美元。據(jù)報(bào)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(huì)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?yàn)椴恍枰谀?，不產(chǎn)生NRE費(fèi)用，入門門檻低，F(xiàn)PGA深受廣大設(shè)計(jì)者的歡迎。由于具有高度的靈活性，相對(duì)簡(jiǎn)單的EDA工具和設(shè)計(jì)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(lǐng)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(diǎn)的市場(chǎng)，取得了驕人的業(yè)績(jī)。說它是貴族，是因?yàn)镕PGA用硅片面積來?yè)Q取靈活性的，天生不足表現(xiàn)為資源利用率低、價(jià)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(guān)。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(yuǎn)遠(yuǎn)落后ASIC。即使到了65nm，F(xiàn)PGA在性能上也只能相當(dāng)于180nm的ASIC，而成本上與180nm的ASIC芯片并沒有優(yōu)勢(shì)。

盡管如此，F(xiàn)PGA在技術(shù)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(jià)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(yīng)多方面應(yīng)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(jìn)構(gòu)造塊之間的信號(hào)互連等。還嵌入了處理器、乘法器、收發(fā)器等一些標(biāo)準(zhǔn)單元的硬IP Core。

不過，F(xiàn)PGA碰到了一個(gè)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(dǎo)體工藝不斷細(xì)化的一個(gè)顯著好處是芯片的動(dòng)態(tài)功耗不斷下降。因?yàn)榭梢圆捎酶偷墓ぷ麟妷?，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(yùn)動(dòng)的絕緣層產(chǎn)生的泄漏電流。而在晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，仍會(huì)有少量電子從源極向漏極流動(dòng)，這就是源-漏泄漏。早在2004年，Intel發(fā)現(xiàn)因靜態(tài)泄漏導(dǎo)致的功耗已占到芯片總功耗的25%。進(jìn)入65nm之后，隨著管子體積的縮小，標(biāo)準(zhǔn)薄氧化層晶體管的靜態(tài)泄漏急劇增大。為了同時(shí)實(shí)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(shù)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)薄氧化層晶體管更低的漏電流。Intel公司則推出了針對(duì)45nm技術(shù)的HK+MG晶體管。所謂HK（High-K）就是采用相對(duì)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(gè)強(qiáng)大的場(chǎng)效應(yīng)，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(qiáng)門的場(chǎng)效應(yīng)。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(dòng)電流。

雖然技術(shù)上設(shè)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(guān)晶體管。有同樣功能的FPGA芯片的晶體管數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于ASIC芯片，因而功耗會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ASIC芯片，這樣必定增加了系統(tǒng)的熱負(fù)荷。

還需要指出的一點(diǎn)是，在設(shè)計(jì)流程方面人們往往認(rèn)為ASIC的后端設(shè)計(jì)有著非常長(zhǎng)的時(shí)間和復(fù)雜度，也容易出問題。事實(shí)上，進(jìn)入DSM階段之后FPGA的后端的復(fù)雜度也并非想象的那么容易。如果同樣的設(shè)計(jì)在ASIC的后端實(shí)現(xiàn)中很困難，那么在FPGA中情況有可能更加惡化。因?yàn)橥瑯庸δ艿倪壿嬰娐酚成湓贔PGA中的邏輯層數(shù)會(huì)比映射在ASIC中的邏輯層數(shù)增加很多，導(dǎo)致時(shí)序收斂更加困難。

為了克服FPGA的功耗大、價(jià)格高的缺點(diǎn)，F(xiàn)PGA廠商也都推出了自己的結(jié)構(gòu)化ASIC技術(shù)，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(shí)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(shí)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(duì)少數(shù)幾種型號(hào)的FPGA，不適用其全系列器件。

eASIC 實(shí)現(xiàn)ASIC價(jià)值重歸

為了減少標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC設(shè)計(jì)的高昂的前期投入，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，規(guī)避市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)化ASIC應(yīng)運(yùn)而生。它們?cè)噲D在標(biāo)準(zhǔn)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。總的來說，結(jié)構(gòu)化ASIC能夠節(jié)省一半的NRE費(fèi)用和設(shè)計(jì)時(shí)間，芯片的性能和功耗接近標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC。但芯片價(jià)格的約是標(biāo)準(zhǔn)單元的1.5 ~2倍，因?yàn)槠涿芏却蠹s只有標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC的50%~75%左右。結(jié)構(gòu)化ASIC的市場(chǎng)定位決定了其在ASIC與FPGA的夾縫中求生。或許是因?yàn)榘雽?dǎo)體工藝升級(jí)換代太快了的緣故，大多數(shù)結(jié)構(gòu)化ASIC的優(yōu)勢(shì)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(yùn)作上都沒有FPGA成功?？蛻粢锤矚g便宜的標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC，要么更喜歡沒有風(fēng)險(xiǎn)的隨時(shí)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(shè)計(jì)工程師避開復(fù)雜的后端設(shè)計(jì)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(diǎn)。

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(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)電路的定制。對(duì)所有的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)無(wú)掩模定制樣片，處理時(shí)間快了10倍。因而無(wú)需NRE費(fèi)用，樣片時(shí)間縮短到4周。量產(chǎn)時(shí)也只要一層過孔掩模，所發(fā)生的費(fèi)用很容易被消化。金屬布線標(biāo)準(zhǔn)化和過孔可編程定制是eASIC在結(jié)構(gòu)化ASIC上的獨(dú)門突破性技術(shù)。在短短1年半時(shí)間內(nèi)，eASIC 就完成了120多個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。令人驚訝的是，在90nm Nextreme ASIC產(chǎn)品快速成功的基礎(chǔ)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(jìn)。

eASIC改良了查找表（LUT）的結(jié)構(gòu)以進(jìn)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(jí)的開關(guān)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(guān)速度，使效率達(dá)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(dòng)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(chǔ)器的供電，還采取時(shí)鐘選通控制睡眠模式、動(dòng)態(tài)功率管理。Nextreme-2系列采用特許半導(dǎo)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(dá)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(dá)56條 MGIO （多G比特輸入輸出口）。每條IO都能工作在6.5Gbps，總計(jì)提供364Gbps帶寬。在高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，如交換機(jī)、路由器、流量管理、城域網(wǎng)傳輸設(shè)備和移動(dòng)回程設(shè)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(dá)2千萬(wàn)門 ；

真雙口RAM數(shù)量多達(dá) 30Mb；

2.4 TeraMACs 乘法累加器 DSP性能；

多達(dá)56條6.5Gbps收發(fā)器以及 1.25Gbps LVDS；

簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)流程 ；

6周即可出硅片；

沒有最小定貨量要求。

如前所述，對(duì)所有的設(shè)計(jì)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(yù)先確定好的。從前端設(shè)計(jì)、后端設(shè)計(jì)一直到芯片制造， eASIC的Nextreme和Nextreme-2平臺(tái)是在成熟的EDA平臺(tái)上采用最嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則開發(fā)出來的。因此設(shè)計(jì)工程師完全不必?fù)?dān)心后端的問題，諸如可制造性設(shè)計(jì)DFM、可測(cè)試性設(shè)計(jì)DFT、光學(xué)鄰近效應(yīng)修正OPC、生產(chǎn)良率控制等都由eASIC負(fù)責(zé)處理。eASIC提供了一個(gè)經(jīng)過嚴(yán)格驗(yàn)證和測(cè)試的平臺(tái)。迄今為止，客戶記錄一直是一次成功。

結(jié)束語(yǔ)

為了市場(chǎng)需求而創(chuàng)新的才有意義。eASIC掃平了深亞微米ASIC設(shè)計(jì)復(fù)雜、費(fèi)用高昂等障礙，降低了ASIC門檻，同時(shí)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(fèi)用和快速上市時(shí)間等特點(diǎn)，標(biāo)志著一個(gè)ASIC新紀(jì)元的開始。在深亞微米ASIC的競(jìng)技場(chǎng)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(shè)計(jì)趨勢(shì)。