系统级芯片工艺:难于选择

技术分类: EDA工具与服务  | 2008-03-31
Ron Wilson,EDN执行主编

  如今的IC工艺选择是个非常复杂的多变量优化问题,涉及到预算、技术及情感等诸多方面。
  要 点
  最新推出的工艺不再理所当然就是最佳的选择。
  特定的需求限制了对某些工艺的选择,但SIP (系统级封装) 一般都能轻松地满足这些需求。
  寻找最佳工艺是一个多方优化问题,涉及到生命周期成本、IP (知识产权) 需求、设计需求及风险分析等。
  需要所有的设计合作伙伴进行协作,才能做出决策。


  在芯片设计行业有一种不成文的假设,即最新推出的工艺总是最合适的:最适合设计人员,也最适合设计。新推出的先进工艺可以让芯片以更低的功耗运行更快,而且成本低于以前使用的成熟工艺。这种说法一直就不怎么站得住脚,而且现在这一陈规正被彻底打破。如今的设计团队已经不再直接选择最新最好的工艺,他们认为工艺选择本身就是设计流程中一个重要的早期步骤。

  这种变化的原因很明显,性能与晶片面积方面的收益在逐渐减少,至少对某些种类的结构是如此。采用65 nm 工艺的模块并不比90 nm的产品速度快、体积小。功耗不会随着工艺尺寸的缩小而相应地降低。如今实际的能耗是工艺、库及设计选择综合作用的结果。还有不可估算的终端用户行为和越来越多的工艺类型让这种形势更为复杂。这样,其结果往往不是设计师所希望得到的。

图1复杂的堆叠式芯片系统封装已经成为封装行业的一项正常业务代表了对某些SoC工艺选择问题的一个重要的方法


  那么,设计团队该如何选择其目标工艺?一些设计师经理与服务提供商提供了某些答案。尽管环境与观点存在着差异,还是有一些模式可循。

  无奈的选择

  最容易讨论的情况可能看起来微不足道:芯片有决定其特定工艺选择的技术要求。如:频率大于10 GHz的集成RF;有较大动态范围、高灵敏度、精密的模拟电路以及必须工作的较高电压下的电路。AMI Semiconductor的自动化与工业应用高级副总裁Bob Klosterboer说:“有时高接口电压决定了解决方案。”作为混合信号与高压ASIC专家,Klosterboer 经常遇到这些问题。“有些时候,是信号电压,而不是接口电压的问题。先进的工艺使用较低的核心电压,但很难达到超过10位的动态范围,即使在1.8V的电压下也不易实现。”

  设计师可以通过向标准的逻辑工艺中添加模块,大体上解决这样或那样的问题,如,对集成非易失性存储器的大量需求。但这种方式会造成NRE (非重复性工程)、设计复杂性及产量成本的增加。Samsung技术副总裁Ana Hunter指出,“RF设计师需要金属-绝缘层-金属电容、较厚的上层金属层及三阱RF晶体管,但管理层告诉他们采用以标准数字工艺所获得的产品。”

图2从90nm工艺转向65nm增加了很多设计步骤


  Klosterboer建议,另一个方法是使用SIP (系统级封装,图1)。SIP在手机中的大量使用将这种技术推向成熟,甚至在低产量的应用中也适合。他说:“通常SIP 是一种备选方案,但有时并未引起应有的重视,因为设计团队对其并不十分了解。”

  但某些特殊情况明显地缩小了工艺的选择范围,设计师不能轻易地避免这些情况。Klosterboer 指出了两种情况,一是高温运行,另一种是延长产品寿命,这两点对汽车行业是至关重要的。他说:“例如,安装到传动箱中的芯片必须能持续地在150℃的高温下运行,但是在先进的高级工艺中,晶片的额定温度只有50℃~70℃。虽然有的晶圆代工工艺达到了125℃,但实现上要使用的库的温度为85℃。这就是个问题。”较长的寿命需求也是个问题,这需要设计团队保证该工艺能让晶圆在10 年内正常工作。

  太多选择

  除了强制的工艺选择外,就是一些不确定因素:对于多数芯片设计,许多工艺都是适合的。要确定一种工艺,设计团队要经过寻找、评估与选择的过程。eSilicon营销副总裁Hugh Durdan将这些问题归到四个方面。按粗略的优先次序排列:成本、IP (知识产权) 成熟度、技术需求及工艺成熟度。“每个因素单独来看都很简单,”Durdan 说。“困难的是如何对这些因素进行权衡。”

  或许这些因素中最明显的,在某种程度上,也是最容易理解的,就是成本。电源线-联网-芯片厂商 DS2 (Design of Systems on Silicon)首席技术官Jose Calero表示,“对我们而言唯一的因素就是价格,它是所有决策的基础。但我们看的是整个解决方案的成本,而不只是硅的成本。”DS2 是消费电子领域的典范。该公司的设计既没有性能局限,也没有特殊的技术要求,但这些设计还是有较多的模拟成分及数字信号处理功能的复杂SoC (系统级芯片)。面对着大产量的市场,这使单位成本比NRE更重要。

  Calero 说,DS2 通过详细了解新设计中将采用的数字与模拟模块开始成本估算,因为新的芯片通常是从原有的旧芯片逐步改进而来的。模拟设备设计师可提早开始可能的工艺设计工具,通过初步的部署进行模块设计。然后公司将数字模块的门数及初始的模拟设计交给可能的厂商进行报价。一般说来,最低的报价会赢得合同。

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