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Altera:三大策略打造45nm FPGA

2008-01-18
作者:杨 晖

    半导体行业的竞争始终在加速进行,当今市场对半导体器件的要求已经发生了巨大变化。过去,用户最注重的是器件性能,其次是功耗,最后才是价格。随着半导体器件性能的不断提高,尤其是中低端产品成为应用主流,用户更看重成本,其次是功耗,最后才是性能。特别自2002年以来,FPGA产业出现了巨大的增长,FPGA产品在容量和速度上都足以满足大多数商业应用的需求,尤其是在所谓的“非传统”FPGA领 域;如果能不断降低成本和功耗,FPGA在消费电子、汽车电子、通信、广播、工业等市场的应用将更加广泛。FPGA是一种通用逻辑器件,采用更先进的工艺来提高性能、降低成本和功耗是其最佳途径,在完成向65nm" title="65nm">65nm工艺转型后,FPGA厂商将缩小线宽的竞赛延伸到了45nm" title="45nm">45nm和32nm。10月23日,Altera公司技术开发副总裁Mojy Chian博士来到北京,在媒体座谈会上介绍了该公司45nm IC的开发情况。
    45nm节点被称为IC设计的分水岭。它采用应变硅工程(Strain engineering),可提高晶体管性能40%以上,可以把更多的晶体管做到有效的面积里,密度提高近2倍,每个晶体管的成本每年降低25%~30%,可以带来运算性能和功耗双方面的改进;45nm已经接近原子尺寸极限,光刻技术、晶体管的漏电、寄生电容等都是不容易解决的问题;芯片制造商在生产中引入了大批新颖、复杂且昂贵的生产技术,例如193nm浸没式光刻,超低k薄膜以及高k电介质。在此情况下,芯片研发成本至少提高了50%,掩膜成本提高了50%(45nm在$3M以上);IC设计和生产工艺之间的耦合性越来越紧密,IC设计者更要关心底层工艺问题。特别地,无晶圆厂设计公司必须与他们的EDA工具厂商、代工" title="代工">代工伙伴密切合作。
    Chian博士说,45nm相对65nm的优势要比65nm相对90nm的优势更大,开发难度也更高,器件开发过程中的泄漏管理、电压饱和、变异管理、逆温现象、加速低功耗转换等技术都面临挑战。这些问题不是无法解决,但增加了开发成本,提高了代工厂商进入的门槛。Altera通过选择正确的合作伙伴、采用“硅片率先投产”的设计方法以及协作设计和工艺开发的方式来实现2008年45nm FPGA的量产。


正确的合作伙伴——台积电


    Altera与台积电" title="台积电">台积电有13年多的合作历史,顺利地推出了90nm和65nm产品。Chian博士介绍说,双方合作十分紧密,合作关系已经远远超越了客户和供应商的关系,它们更像一个大公司的两个部门:Altera是IC设计部门,而台积电则是晶圆生产部门。台积电是继Intel、三星、TI、ST和东芝之后的全球第6大半导体制造商,且前5个公司不经营代工业务,所以台积电实际上是世界上最具实力的代工厂商。台积电在研发、产能和质量控制方面都处于领先地位。对于Altera这样的无晶圆厂半导体供应商,与台积电合作应当说是最好的选择。


“硅片率先投产”设计方法


    Altera的“硅片率先投产”设计方法(Design methodology for“first silicon to production”)可确保业界领先的性能和可靠性。其创新的可编程功耗技术,可允许一些不会被调用的晶体管暂时处于休眠状态,当再次被调用时,它们可以立刻恢复动力,使新一代芯片的功耗显著降低;精确的晶体管模型,实现了最佳的器件性能;另外,Altera在设计阶段就考虑到了器件的可靠性技术并内置到芯片中,提高芯片生产时的成品率和恶劣环境下的可靠性。
    Chian博士着重介绍了Altera的测试芯片" title="测试芯片">测试芯片硅片验证方法。测试芯片结合工艺建模、仿真,是“硅片率先投产”的基础。测试芯片的目的是:验证创新的工艺改进和电路设计方法;降低生产工艺和电路设计中的不确定性风险;测试芯片的性能余量,实现性能和可制造性的最佳平衡。Chian博士强调,Altera是通过测试芯片验证新的关键技术,而不是通过客户验证。在90nm和65nm工艺节点,Altera都使用了9款测试芯片,确保了量产的第一颗芯片交给客户正常使用。此次45nm节点Altera将使用8款测试芯片,目前已经完成了4款45nm的测试芯片,在2008年产品正式推出之前还要测试4款芯片。


协作设计和工艺开发


    Chian博士说,所有这些成绩的取得都离不开台积电的紧密合作。Altera与台积电从2005年开始合作研制45nm FPGA,成立了12个联合开发工作组,每一个工作组都有自己非常明确的目标,解决新工艺中的某一个关键技术。每一个工作组都有来自Altera和台积电的组长和员工,Altera和台积电的项目经理共同预测和管理设计过程中可能遇到的问题。这些联合开发工作组在工艺和设计上一起努力,以缩短面市时间、提高性能、提高成品率、降低成本。
    45nm工艺节点虽然提高了IC 设计厂商和代工厂商的进入门槛,但对FPGA是有利的,因为一个45nm  ASIC的开发成本非常高、风险非常大,越来越多的客户会在高昂的ASIC设计和前期费用上不堪重负;随着采用更低线宽的工艺节点,如45nm、32nm,FPGA的性能不断提高,FPGA与ASIC的界限将越来越不明显,将有更多的ASIC设计人员转向FPGA,可编程逻辑器件将赢得越来越多客户的青睐。此外,从全球来看,未来五到十年,消费者对3C融合业务的需求也将大大推动可编程逻辑市场的发展。我们期待Altera公司的45nm FPGA。

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