在40-nm 工藝節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)世界上最先進(jìn)的定制邏輯器件

引言
Altera于2008年第二季度推出Stratix® IV和HardCopy® IV器件系列標(biāo)志著世界上首款40-nm FPGA和業(yè)界唯一40-nm ASIC 無(wú)風(fēng)險(xiǎn)移植途徑的誕生。Altera 通過(guò)三年周密的規(guī)劃和開(kāi)發(fā)，并與代工線(xiàn)合作伙伴臺(tái)積電(TSMC) 協(xié)作，最終獲得成功，交付定制邏輯器件展示了無(wú)可爭(zhēng)議的產(chǎn)品領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。Altera 隨后于2009 年第一季度發(fā)布Arria® II GX 和Stratix IV GT FPGA 系列，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最全面的收發(fā)器系列產(chǎn)品。表1 所示為Altera 開(kāi)發(fā)世界上首款40-nm FPGA 的歷史過(guò)程。
40-nm 工藝節(jié)點(diǎn)非常重要，它為Altera 在性能最好、密度最大、功耗最低、性?xún)r(jià)比最高FPGA 和HardCopyASIC 上保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
40-nm 工藝技術(shù)的重要性
40-nm 工藝要比以前包括65-nm 節(jié)點(diǎn)和最近的45-nm 節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的工藝技術(shù)有明顯優(yōu)勢(shì)。最引人注目的優(yōu)勢(shì)之一是其更高的集成度，半導(dǎo)體生產(chǎn)商可以在更小的物理空間中實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的功能。國(guó)際電子器件大會(huì)(IEDM) 報(bào)告了密度提高所得到的實(shí)際結(jié)果，主要的半導(dǎo)體生產(chǎn)商展示了他們?cè)诠に嚰夹g(shù)上努力的結(jié)果。
對(duì)SRAM 單元大小進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試，表2 列出了上次IEDM 大會(huì)報(bào)道的最近工藝節(jié)點(diǎn)的SRAM 單元大小(以45-nm 工藝單元大小遞增的順序列出)。如表中所示，工藝技術(shù)的提高使半導(dǎo)體生產(chǎn)商能夠在更小的面積上實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的功能。
注釋?zhuān)?br />(1) 來(lái)源：Real World Technologies, “Process Technology Advancements at IEDM 2007”
(2) 僅列出了報(bào)道65-nm 或者45-nm SRAM 單元大小的公司/ 組織
(3) nr = 沒(méi)有報(bào)道
表1. Altera 40-nm 器件的開(kāi)發(fā)過(guò)程
日期里程碑
2005 年第一季度Altera 啟動(dòng)40-nm FPGA 和HardCopy ASIC 系列開(kāi)發(fā)，在40-nm 工藝上開(kāi)始與TSMC 合作。
2005 年第四季度Altera 的第一組9 種40-nm 器件測(cè)試芯片投片
2006 年第二季度測(cè)試芯片結(jié)構(gòu)評(píng)估
2007 年第四季度TSMC 發(fā)布產(chǎn)品級(jí)45-nm 工藝，加強(qiáng)與Altera 的合作。
2008 年第一季度TSMC 發(fā)布40-nm 工藝
2008 年第二季度Altera 發(fā)布世界上首款40-nm FPGA， Stratix IV 器件系列和首款40-nm HardCopy IV ASIC。
2009 年第一季度Altera 發(fā)布最全面的收發(fā)器系列產(chǎn)品，包括Arria II GX 和Stratix IV GT FPGA。
表2. 65-nm 和45-nm 工藝節(jié)點(diǎn)報(bào)道的最小SRAM 單元 (1)

在40-nm 工藝節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)世界上最先進(jìn)的定制邏輯器件Altera 公司
2
40-nm 工藝還具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。40 nm晶體管邏輯門(mén)長(zhǎng)度比65 nm 邏輯門(mén)長(zhǎng)度短38.5％，比45-nm 工藝邏
輯門(mén)長(zhǎng)度短11％。相應(yīng)的低阻抗提高了40 nm 的驅(qū)動(dòng)能力，意味著性能更好的晶體管。
Altera 使用應(yīng)變硅技術(shù)進(jìn)一步提高了性能。例如， Altera 器件利用了NMOS 晶體管保護(hù)層的拉伸應(yīng)變以及
PMOS 晶體管源極和漏極攙雜硅鍺的壓縮應(yīng)變( 參見(jiàn)圖1)。這些應(yīng)變硅技術(shù)將電子和空穴的移動(dòng)能力提高了
30％，使晶體管性能提高了近40％。

圖1. 40 nm 應(yīng)變硅技術(shù)實(shí)現(xiàn)了性能更好的晶體管
密度和性能的提高意義非常大，而當(dāng)今系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員面臨的最大設(shè)計(jì)問(wèn)題之一是功耗。40-nm 節(jié)點(diǎn)在這方面也有一定的優(yōu)勢(shì)，更小的工藝尺寸減小了產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗的雜散電容。特別是， TSMC 的40-nm 工藝技術(shù)比45-nm 工藝技術(shù)有功功率降低了15％。
然而，如果不采取措施，工藝尺寸的減小會(huì)增大待機(jī)功耗。為解決這些問(wèn)題以及其他越來(lái)越多的功耗問(wèn)題，Altera 采取了積極的措施來(lái)降低40-nm 器件的有功功耗和待機(jī)功耗。
結(jié)合領(lǐng)先的工藝和器件體系結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足關(guān)鍵的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求過(guò)渡到40-nm 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了摩爾定律預(yù)言的密度和性能優(yōu)勢(shì)。利用這些工藝優(yōu)勢(shì)并結(jié)合器件體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，Altera 繼續(xù)為業(yè)界提供密度最大、性能最好的定制邏輯器件。由此， Altera® Stratix IV FPGA 和HardCopy IVASIC 分別能夠提供650K邏輯單元(LE) 和13M ASIC 邏輯門(mén)。在性能方面，Altera 40-nm器件系列邏輯性能達(dá)到了600-MHz，收發(fā)器性能高達(dá)8.5 Gbps，同時(shí)， 1.6 Gbps 的LVDS I/O 和1066 Mbps 的單端I/O 性能都是業(yè)界最好的，所有這些都不以犧牲信號(hào)完整性為代價(jià)。
除了最高的密度和最好的性能， Altera 還致力于實(shí)現(xiàn)最低的功耗。當(dāng)今小外形緊湊封裝、便攜性以及功效的發(fā)展趨勢(shì)推動(dòng)了對(duì)低功耗的需求。產(chǎn)品系統(tǒng)外形非常薄，體積非常小，限制了空氣對(duì)流、熱沉以及其他的散熱管理解決方案。此外，很多應(yīng)用首先考慮的問(wèn)題是功率元件的工作成本，這促使低功耗成為最明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，是很多應(yīng)用中必須要考慮的問(wèn)題。設(shè)計(jì)目標(biāo)在這方面的變化使得功耗成為選擇系統(tǒng)元件時(shí)首先要考慮的標(biāo)準(zhǔn)。
FPGA 供應(yīng)商的器件在功能越來(lái)越強(qiáng)的電路板上發(fā)揮的作用也越來(lái)越大，在很多情況下要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)核心功能，器件功耗管理的難度也隨之增大。需要很大的投入才能在提高性能和降低功耗上達(dá)到平衡。