從功耗、硅片面積、性能三大維度評估Treo平臺

本文重點介紹了安森美（onsemi）Treo平臺的模擬性能。引入了PPA三角形概念來比較不同工藝技術(shù)之間的模擬關(guān)鍵指標。總體而言，本文將展示基于65nm BCD工藝技術(shù)的安森美 Treo平臺，在模擬、混合信號及高壓BCD解決方案領(lǐng)域具有強大的競爭力。

PPA 三角形

功耗、性能和面積（Power、Performance、Area，PPA）是表征晶圓工藝技術(shù)能力的三個關(guān)鍵指標：

● 功耗是指集成電路消耗的功率。它由供電電壓和電流消耗決定。

● 性能指的是電路的帶寬或工作頻率。性能也可以指精度或分辨率，或者高壓器件的導通電阻。

● 面積是指集成電路占用的硅片面積。

采用特定工藝技術(shù)設(shè)計電路的競爭力體現(xiàn)在低功耗、高性能（或最小分辨率，以 mV/LSB 表示）和小硅片面積這幾個特征。在電路設(shè)計過程中，這三個變量構(gòu)成了一個基本的權(quán)衡關(guān)系。例如，當性能提高時，可能會以增加功耗和晶粒尺寸為代價，或者當晶粒尺寸減小時，可能會導致性能降低。根據(jù)不同的電路，存在不同的權(quán)衡，從而導致不同的電路優(yōu)化結(jié)果。

不同技術(shù)節(jié)點之間，其工藝技術(shù)的功耗、性能和面積特性及其最優(yōu)組合也各不相同。在較小的工藝節(jié)點上設(shè)計的電路通常能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)的總體PPA得分，即在更小的面積和更低的功耗下實現(xiàn)更高的性能。

傳統(tǒng)上，PPA的評估指標由以下方程表示：

隨著性能的提高，面積和功耗的降低，PPA 的總得分也越高。

另一種以直觀方式表示各代技術(shù)之間相互的方法是三角形（2D）或金字塔（3D）。在圖 1 中，整體性能用 3 個坐標軸來表示。

圖1. PPA三角形作為工藝技術(shù)評估指標示意圖

一個軸代表分辨率，其中理想電路指盡可能高的分辨率（零分辨率對應于無限精確的系統(tǒng)）。第二個軸代表硅片面積，其中理想電路以無限小的面積提供相應功能。第三個軸代表功耗，其中理想電路以無限小的功耗實現(xiàn)相應功能。然而，在現(xiàn)實中，每個電路都需要一定的硅片面積和功耗，并且實現(xiàn)大于零的有限分辨率。

如圖 1 中的三維圖所示，由原點和 PPA 三角形定義的金字塔體積表示工藝技術(shù)的競爭力。在比較不同電路和技術(shù)節(jié)點之間的 PPA 時，PPA 三角形的頂點越靠近中心，電路的 PPA 分數(shù)就越高。終極工藝技術(shù)具有無限小的功耗、硅片面積和無限精確的分辨率。

在這種表示方法中，整體性能由金字塔的體積決定：

金字塔圖是估算實現(xiàn)特定性能所需資源數(shù)量的直觀方法。

PPA作為BCD65的評估指標

本文采用 PPA 作為評估指標，對安森美 Treo 平臺，采用65 nm  BCD 工藝技術(shù)（BCD65 - 2.5 V）和以前的工藝節(jié)點（180 nm - 3.3 V / 5 V）進行了比較。通過比較技術(shù)參數(shù)和特性，闡明了所選工藝技術(shù)對功耗、性能和面積的影響，并討論了 BCD65 相較于之前工藝節(jié)點的改進之處。已經(jīng)使用BCD65設(shè)計或從180nm工藝遷移到65nm工藝的模擬IP，為PPA得分的提高提供了真實可靠的證據(jù)。本文還討論并比較了實際電路示例。

安森美Treo平臺還提供工作電壓范圍在5V - 90V的高壓器件。低Rsp（比導通電阻，單位為mΩ*mm2）的DMOS器件可以與65nm 低壓模擬和數(shù)字電路在同一晶粒上集成。這種結(jié)合了低、中、高壓能力的特點，在65nm BCD技術(shù)中是非常獨特的。

本文以 PPA 作為評價指標，表明從 180 nm - 3.3 V / 5 V 遷移到 65 nm - 2.5 V，模擬電路平均至少達到了5倍的整體改進。基于此，安森美在 BCD 應用領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，實現(xiàn)了功耗、性能和面積的完美結(jié)合。

以下各節(jié)將分別闡述這三項關(guān)鍵指標。

功耗

工藝改進包括柵極氧化層厚度的縮小。更薄的柵極氧化層需要更低的工作電壓。對于 BCD65，典型的模擬低壓電源為 2.5 V，而在較早的 BCD 技術(shù)節(jié)點（如 110 nm / 130 nm 或 160 nm / 180 nm）中通常使用 3.3 V 或 5 V。這種低壓電源意味著電路功耗可降低 25% 至 50%（電流消耗相同），這已經(jīng)是提高 PPA 分數(shù)的一個重要因素。由于晶體管閾值電壓 (VTH) 通常也會降低，因此以前的電路拓撲結(jié)構(gòu)不一定需要改變，一般仍可重復使用。

在65nm 節(jié)點上，模擬電路的電流消耗通常也較低，但性能卻相差無幾。在保持相同帶寬和增益的情況下，可以使用更低的偏置電流：相對寄生電容顯著減少，在更低的電流下可以獲得相同的跨導。這一點通過將IP從180nm –3.3V遷移到65nm –2.5V，并在相同性能水平上得到驗證。

數(shù)字電路的標稱電壓為 2.5 V（厚柵極工藝）或 1.2 V（薄柵極工藝）。在 180 nm 節(jié)點上，標稱電壓分別為 3.3 V 和 1.8 V。下式表明，當 W、L、tox和 Vdd縮減時，數(shù)字功耗可以大大降低。(注意，調(diào)節(jié)tox具有相反的效果，但可通過調(diào)節(jié)尺寸和供電電壓得到補償）。特別是在 1.2 V 工藝流程中，Wmin和 Lmin顯著縮小。因此，工作頻率也有提高的空間。

硅片面積

從 180 nm 節(jié)點遷移到 65 nm 節(jié)點，每個功能（模擬、數(shù)字、高壓電源）的硅片面積都有顯著縮減。

對于模擬低壓電路，這一點通過將一組通用電路遷移到BCD65（厚柵極氧化層工藝）并保持相似性能來證明。為了使比較有效，使用了相同數(shù)量的金屬層和相同的標準器件集。結(jié)果是采用BCD65的模擬低壓電路的面積減少了大約50%。

圖2展示了180nm-3.3V與BCD65-2.5V比較器電路之間存在45%的尺寸差距。

圖 2. 不同工藝節(jié)點間比較器電路的布局尺寸變化

這種在相似精度下的模擬（及混合信號）低壓電路尺寸縮小不僅能降低晶粒成本，還允許在一個更小的封裝尺寸中集成更多功能。之所以能實現(xiàn)這些模擬和混合信號電路尺寸縮小，主要得益于以下因素：

■ 在半導體工藝中，較小的工藝節(jié)點通常能改善晶體管閾值電壓（Vth）的匹配。因此，與工藝相關(guān)的失配系數(shù)會降低。根據(jù)Pelgrom定律，在失配程度相同的情況下，匹配晶體管的柵極面積會減小。對 180 nm - 5 V 工藝和 65 nm BCD - 2.5 V 工藝的閾值電壓失配系數(shù)進行比較后發(fā)現(xiàn)，匹配晶體管結(jié)構(gòu)的柵極面積至少縮小了兩倍。而在180 nm -3.3V與65 nm-2.5 V之間，改善程度較為有限。

■ BCD65標準多晶硅電阻相比于安森美采用180 nm BCD技術(shù)的標準多晶硅電阻和高電阻多晶硅電阻，具有更低的失配系數(shù)。加之單元間的間距更小，匹配電阻陣列的面積減少了超過40%。

■ 與安森美的180 nm BCD技術(shù)相比，Poly-Nwell電容在相同絕對值下具有更小的面積。這是由于BCD65技術(shù)（厚柵極工藝）中，柵極氧化層電容密度與氧化層厚度成反比，其電容密度高出30%。

■ 除了多晶硅面積縮小之外，BCD65設(shè)計規(guī)則允許器件之間的間距更小，從而進一步提高了器件密度。晶體管的源極、漏極和柵極連接所占用的面積更小，觸點面積幾乎縮小了6倍。

■ 雙極型晶體管體積更小，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的匹配性。

■ BCD65 可顯著減少器件互連和信號布線所占面積。后端設(shè)計規(guī)則允許更小的間距（更小的金屬線寬和間距）以及更?。ń?7 倍）的過孔。這并不一定會導致互連阻抗的增加：BCD65的金屬層采用的是銅鑲嵌工藝，其電阻比鋁低35%。布線距離通常更短。

■ BCD65 提供了一種錐形金屬化結(jié)構(gòu)，使得在較低的金屬層中可以實現(xiàn)窄且高密度的互連線路，而在較高的金屬層中則逐漸變寬變厚，以支持大電流能力、電源布線和功率傳輸。此外，布線密度僅受限于在較高電壓下某些線間間距規(guī)則。

■ 與 180 nm - 5 V 技術(shù)相比，另一個顯著的區(qū)別是器件隔離（BCD65 低壓電路采用結(jié)隔離）所占用的面積。

■ 數(shù)字庫提供了更小的數(shù)字標準單元，從而實現(xiàn)了數(shù)字電路尺寸的顯著縮小。這使得數(shù)字柵極密度提高了 3 倍（與厚柵極氧化層工藝相比）和 6 倍（與薄柵極氧化層工藝相比）。在集成電路中可以輕松添加更多的數(shù)字功能。

■ 靜電放電（ESD）保護只會輕微的減少尺寸，因為其尺寸主要由所需承受的能量決定。

■ 在 BCD65 中，高壓器件的 Rsp 值顯著提高。與安森美之前的 BCD 技術(shù)相比，45 V DMOS 器件的 Rsp 值提高了 40%。

所有這些因素的結(jié)合，就會在產(chǎn)品層面產(chǎn)生顯著尺寸縮小。這一點通過將產(chǎn)品從180 nm BCD節(jié)點遷移到安森美的Treo平臺上的65 nm BCD節(jié)點得到了證明。

性能

前幾節(jié)詳細介紹了 BCD65 在電路性能與安森美之前的 180 nm BCD 節(jié)點類似的情況下，降低功耗和減少硅片面積的情況。反之亦然，在相同的功耗和面積下，基于安森美Treo 平臺開發(fā)的電路在精度和帶寬方面表現(xiàn)更佳。

更匹配的晶體管、電阻和雙極型晶體管可轉(zhuǎn)化為更高的精度。對于相同的電流消耗，電路可以在更高的增益帶寬乘積下工作。錐形金屬化結(jié)構(gòu)在最低層的銅金屬層上采用窄跡線，并結(jié)合更短的布線距離，減少了互連寄生效應，這對高帶寬電路同樣有益。

由于寄生耦合和串擾噪聲較低，金屬疊層下部的低 K（低介電常數(shù)）材料可實現(xiàn)高速運行。無論如何，低 K 材料都是持續(xù)改進工藝技術(shù)和高速運行所必需的。等式 1 中已經(jīng)顯示了提高數(shù)字電路時鐘速度的潛力，這有助于性能的提升。

通過在1.2V薄柵極工藝流程中使用BCD65雙柵極選項進行模擬設(shè)計，可以獲得另一個重要的帶寬提升。在薄柵極工藝流程中，晶體管的匹配度再次得到改善。1.2 V 下的模擬設(shè)計對于直接連接數(shù)字信號的模塊（如 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器或比較器）尤為重要。在更高頻率下運行可使模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以更高的采樣率進行時鐘運算，從而實現(xiàn)多輸入通道的多路復用或達到更高的過采樣率 (OSR)，從而獲得更高的分辨率。

在相同的硅片面積內(nèi)集成了更多功能和更先進的電路。數(shù)字電路尺寸顯著縮小，可輕松增加包括MCU在內(nèi)的數(shù)字功能。數(shù)字功能可用于增強模擬電路性能，并對模擬電路不完善之處進行修正。

BCD65中的PPA得分整體提升

前文解釋了為什么 Treo平臺 65 nm BCD技術(shù)在功耗、性能和面積方面優(yōu)于 180 nm - 3.3 V / 5 V 技術(shù)。列舉了許多關(guān)于不同影響因素的定性說明。本節(jié)將根據(jù)實際電路示例說明 PPA 的具體改進。

示例 1

此運算放大器的設(shè)計已從安森美的 180 nm - 3.3 V BCD 技術(shù)遷移到 BCD65技術(shù)。該拓撲結(jié)構(gòu)是一種廣泛使用的兩級放大器，稱為米勒運算放大器。遷移后的電路在偏移、帶寬、相對輸入共模范圍等方面具有相同性能。實際制造后的電路特性分析表明，與采用3.3 V 電壓供電的原電路相比，遷移后的電路電流消耗減少了40%（采用2.5 V 電壓供電）。原始設(shè)計和遷移后設(shè)計的布局如圖 3 所示（兩個電路布局的比例相同）。

圖 3. 運算放大器的布局比較

下表匯總了關(guān)鍵指標和整體PPA的比較：

對于這個運算放大器設(shè)計，采用 65 nm工藝技術(shù)可將整體 PPA 得分提高 5.1倍 。圖 4 所示電路的 PPA 三角形是顯示改進的另一種方法。綠色部分代表 180 nm - 3.3 V 設(shè)計，橙色部分代表 BCD65 設(shè)計，其性能相同，但功耗和硅片面積得到改善。

圖 4. 運算放大器的 PPA 三角形  180 nm - 3.3 V（綠色）和 65 nm - 2.5 V（橙色）

示例 2

比較器設(shè)計已從安森美的 180 nm - 5 V BCD 技術(shù)遷移到 BCD65技術(shù)，在偏移、傳輸延遲和相對輸入共模范圍方面具有相同的性能。實際制造后的電路特性分析表明，與采用5V 電壓供電的原電路相比，遷移后的電路電流消耗減少了31%（采用2.5 V 電壓供電）。兩種版本的布局面積如圖 5 所示（兩種電路布局的比例相同）。

圖 5. 180 nm和 65 nm比較器電路布局圖

表 2：示例電路 2 的 PPA 比較

對于該比較器電路，改用 BCD65 可將整體 PPA 得分提高 7.6 倍。圖 6 所示電路的 PPA 三角形是顯示改進的另一種方法。同樣，綠色部分代表 180 nm - 5 V 設(shè)計，橙色部分代表 BCD65 設(shè)計，性能相同，但功耗和硅片面積得到改善。

圖 6. 比較器電路設(shè)計的 PPA 三角形  180 nm - 5 V（綠色）和 65 nm - 2.5 V（橙色）

根據(jù)電路類型的不同，可達到的整體 PPA 改進得分也不同。一些設(shè)計比其他設(shè)計更難縮小尺寸，或者一些設(shè)計僅在硅片面積或電流消耗方面顯示出有限的優(yōu)化。但平均而言，從 180 nm - 3.3 V 遷移到 BCD65技術(shù)，整體 PPA 得分可提高 5 倍以上。從 180 nm - 5 V 升級到 BCD65 時，改進幅度更大，因為降低更多的供電電壓帶來了更多的好處。

結(jié)語

本文描述了三個關(guān)鍵指標——功耗、性能和面積，它們之間存在的權(quán)衡關(guān)系，以及如何使用PPA作為衡量標準來比較不同工藝技術(shù)下的模擬性能。以PPA作為評價指標，顯示了從180 nm-3.3V /5 V BCD技術(shù)遷移到安森美 Treo平臺，至少實現(xiàn)了平均5倍的整體改進。加上高壓器件，密集的模擬低壓和數(shù)字電路，使得安森美Treo平臺在BCD應用中具有強大的競爭力。

安森美Treo平臺在PPA方面的改進不僅限于理論層面，還得到了已經(jīng)完成遷移及制造的模擬IP實踐驗證。工藝的改進允許更高的集成密度，在更小的尺寸內(nèi)能夠集成更多功能，這對于現(xiàn)代高性能模擬和BCD應用至關(guān)重要。

總體而言，通過向市場推出性能卓越、功耗更低、硅片面積更小的產(chǎn)品，安森美 Treo 平臺使安森美在模擬、混合信號和高壓解決方案領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，成為先進模擬電路設(shè)計極具競爭力的選擇。