Altera | FPGA工艺选择的定制方法

FPGA 工 艺 选 择 的 定 制 方 法本 白 皮 书 介 绍 了 三 类 工 艺 特 性 , 与 之 相 关 的 现 代 FPGA 的 内 部 结 构 , 相 应 的 ,FPGA对 采 用 了 这 些 工 艺 的 系 统 的 影 响 。 尤 其 , 重 点 介 绍 名 为 FinFET 晶 体 管 的 应 用 , 展示 了 Altera 怎 样 采 用 Intel 的 14 nm 三 栅 极 工 艺 进 一 步 提 高 FPGA 密 度 、 性 能 和 功 效 ,而 这 是 平 面 FET 技 术 发 展 根 本 无 法 实 现 的 。引 言FPGA 在 系 统 中 表 现 出 的 特 性 是 由 芯 片 制 造 的 半 导 体 工 艺 决 定 的 , 当 然 它 们 之 间 的关 系 比 较 复 杂 。 过 去 , 在 每 一 节 点 会 改 进 工 艺 的 方 方 面 面 , 每 一 新 器 件 的 最 佳 工 艺选 择 是 尺 寸 最 小 的 最 新 工 艺 。 现 在 , 情 况 再 也 不 是 这 样 了 。相 反 , 当 今 的 可 编 程 逻 辑 供 应 商 必 须 研 究 各 种 工 艺 选 择 , 才 能 满 足 采 用 FPGA 的 设计 的 各 类 需 求 。 在 本 白 皮 书 中 , 我 们 将 介 绍 三 类 工 艺 特 性 , 与 之 相 关 的 是 现 代 FPGA的 内 部 结 构 , 相 应 的 ,FPGA 对 采 用 了 这 些 工 艺 的 系 统 的 影 响 。 特 别 是 , 我 们 将 介绍 促 进 名 为 FinFET 的 晶 体 管 加 速 应 用 的 革 命 性 变 革 ,Altera 怎 样 采 用 独 特 的 FinFET工 艺 , 特 别 是 Intel 的 14 nm 三 栅 极 工 艺 进 一 步 提 高 FPGA 密 度 、 性 能 和 功 效 , 而 这是 平 面 FET 技 术 发 展 根 本 无 法 实 现 的 。工 艺 特 性对 于 IC 设 计 人 员 , 有 三 类 由 工 艺 决 定 的 特 性 , 这 些 特 性 一 起 体 现 了 工 艺 。 它 们 是 特征 层 距 、 晶 体 管 行 为 和 可 用 性 。层 距 是 指 成 品 IC 类 似 特 性 之 间 的 最 小 间 隔 , 有 助 于 确 定 管 芯 尺 寸 和 容 量 , 还 能 够 间接 的 决 定 电 路 速 率 和 功 耗 。 管 芯 的 每 一 特 征 层 —— 晶 体 管 、 本 地 互 联 、 接 触 , 以 及连 续 的 上 面 金 属 层 , 都 有 自 己 的 层 距 。 由 工 艺 工 程 师 根 据 光 刻 极 限 和 其 他 工 艺 约 束 、成 本 以 及 工 艺 设 计 人 员 认 为 客 户 会 怎 样 使 用 工 艺 来 选 择 这 些 不 同 层 的 间 距 。 这 些 层距 相 互 作 用 , 决 定 了 某 一 类 电 路 中 晶 体 管 的 实 际 密 度 。反 馈 说 明让 我 们 从 底 层 开 始 。 您 能 够 在 某 一 电 路 中 封 装 多 少 晶 体 管 大 致 取 决 于 两 个 问 题 : 晶体 管 能 够 靠 得 多 近 , 互 联 之 间 有 多 大 的 间 距 才 能 满 足 它 们 的 连 接 要 求 。 两 者 都 会 带来 限 制 , 这 取 决 于 电 路 设 计 和 布 局 。 当 然 , 晶 体 管 能 够 封 装 的 距 离 有 多 近 取 决 于 其 大小 和 形 状 。从 本 地 互 联 、 接 触 层 往 上 , 越 到 上 面 的 金 属 层 堆 叠 ( 图 1), 层 距 就 越 会 急 剧 增 大 。 一般 而 言 , 本 地 互 联 和 下 面 金 属 层 连 接 附 近 的 晶 体 管 , 决 定 了 标 准 单 元 或 者 SRAM 等仔 细 封 装 的 结 构 的 密 度 。 上 面 的 金 属 层 连 接 电 路 , 最 终 将 功 能 模 块 连 接 起 来 , 实 现总 线 连 线 , 分 配 电 源 和 时 钟 连 接 。 上 层 的 数 量 和 层 距 对 于 芯 片 设 计 人 员 而 言 也 非 常重 要 , 这 是 因 为 , 它 们 决 定 了 芯 片 不 同 部 分 之 间 连 接 的 带 宽 和 功 耗 。

图 1. 堆 叠 越 高 , 金 属 层 距 越 大 , 如 这 一 传 统 的 Altera® CPLD 所 示 。晶 体 管 特 性最 简 单 的 情 况 是 , 数 字 设 计 人 员 对 于 其 晶 体 管 只 关 心 三 方 面 : 它 们 有 多 大 , 晶 体 管开 关 能 有 多 快 , 它 们 的 功 耗 有 多 大 。 多 年 以 来 , 这 三 方 面 互 相 协 调 发 展 的 非 常 好 :每 一 新 工 艺 节 点 的 晶 体 管 尺 寸 都 在 减 小 , 开 关 更 快 , 功 耗 更 低 。但 是 在 最 近 的 工 艺 代 , 随 着 晶 体 管 尺 寸 的 减 小 , 功 耗 分 成 了 两 个 不 同 的 部 分 : 由 开关 活 动 造 成 的 动 态 功 耗 , 以 及 晶 体 管 无 法 关 断 的 电 流 所 消 耗 的 泄 漏 功 耗 。 速 度 和 动态 功 耗 一 直 是 相 关 的 , 在 每 一 新 工 艺 节 点 , 速 度 逐 渐 提 高 , 开 关 功 耗 慢 慢 下 降 , 而静 态 功 耗 在 每 一 新 节 点 都 在 增 大 。 今 天 , 如 果 您 希 望 晶 体 管 非 常 快 的 进 行 开 关 , 那么 , 它 会 泄 漏 。 如 果 您 希 望 降 低 泄 漏 电 流 , 晶 体 管 的 速 度 就 会 变 慢 。 相 应 的 在 芯 片级 , 某 些 28 nm SoC, 一 半 的 功 耗 都 是 静 态 泄 漏 功 耗 。工 艺 和 电 路 设 计 人 员 对 此 进 行 了 反 击 。 工 艺 工 程 师 为 芯 片 设 计 人 员 提 供 了 具 有 不 同速 度 和 泄 漏 电 流 的 各 类 晶 体 管 。 电 路 设 计 人 员 仔 细 的 选 择 了 晶 体 管 , 考 虑 了 它 们 的关 断 时 钟 能 力 和 供 电 电 压 , 以 便 有 效 的 管 理 功 耗 。 这 些 创 新 使 得 设 计 人 员 能 够 开 发基 于 单 元 的 数 字 模 块 , 同 时 具 有 较 好 的 峰 值 性 能 和 较 低 的 泄 漏 。但 是 , 平 面 FET 的 问 题 却 越 来 越 严 重 。 在 以 后 的 工 艺 代 中 , 越 来 越 难 以 进 一 步 降 低平 面 FET 的 工 作 电 压 。 今 天 , 很 多 工 艺 工 程 师 同 意 , 在 20 nm 节 点 以 后 , 再 也 不 可能 降 低 平 面 FET 的 延 时 功 耗 : 电 路 设 计 人 员 围 绕 这 一 指 标 来 综 合 考 虑 速 度 和 功 耗 。虽 然 已 经 尽 最 大 努 力 来 延 长 传 统 平 面 FET 的 生 命 周 期 , 但 是 , 它 还 是 在 逐 渐 淡 出 。今 天 , 很 多 工 艺 设 计 人 员 相 信 , 未 来 属 于 一 类 新 晶 体 管 :FinFET, 即 ,Intel 把 他 们的 这 类 器 件 称 之 为 三 栅 极 晶 体 管 。 实 际 上 , 晶 体 管 是 竖 立 在 其 侧 面 的 , 在 其 他 三 个裸 露 侧 封 装 栅 极 ,FinFET 的 栅 极 能 够 更 好 的 控 制 通 过 沟 道 的 电 流 , 与 同 样 大 小 的 平面 FET 相 比 , 在 速 度 一 定 时 , 显 著 降 低 了 泄 漏 ( 技 术 上 , 更 低 的 阈 值 电 压 )。 更 低 的泄 漏 使 得 设 计 人 员 能 够 以 较 低 的 电 压 实 现 要 求 的 工 作 频 率 , 同 时 降 低 了 动 态 和 泄 漏功 耗 , 或 者 , 在 一 定 的 总 功 耗 水 平 上 , 以 更 高 的 速 度 工 作 。而 且 , 由 于 晶 体 管 是 竖 立 在 其 侧 面 上 , 影 响 驱 动 电 流 的 沟 道 宽 度 不 会 直 接 限 制 晶 体

管 彼 此 之 间 封 装 的 距 离 。 因 此 ,FinFET 阵 列 要 比 使 用 相 同 沟 道 宽 度 的 平 面 FET 阵列 的 密 度 高 得 多 。 而 且 , 由 于 器 件 的 尺 寸 ,FinFET 原 理 上 要 比 最 小 尺 寸 的 平 面 FET的 一 致 性 更 好 。 工 艺 工 程 师 解 释 说 , 平 面 器 件 在 理 论 上 已 经 变 得 非 常 小 , 以 至 于 可以 数 出 沟 道 中 掺 杂 原 子 的 数 量 。 不 管 出 于 什 么 原 因 , 在 生 产 过 程 中 一 些 原 子 出 错 是难 以 控 制 的 , 这 会 导 致 晶 体 管 阈 值 电 压 有 很 大 的 不 同 , 因 此 , 其 电 气 性 能 也 会 不 同 。FinFET 对 这 类 变 化 的 敏 感 度 要 低 得 多 。FinFET 在 几 方 面 显 示 出 完 全 不 会 有 平 面 FET 那 样 越 来 越 多 的 问 题 。FinFET 可 以 封装 的 更 靠 近 一 些 。 它 们 有 更 低 、 一 致 性 更 好 的 阈 值 电 压 , 不 会 出 现 不 可 接 受 的 泄 漏电 流 。 较 低 的 阈 值 电 压 支 持 工 作 在 较 低 的 供 电 电 压 下 , 显 著 降 低 了 功 耗 , 或 者 工 作在 正 常 电 压 下 , 但 是 大 幅 度 提 高 了 速 度 。我 们 什 么 时 候 可 以 得 到 它第 三 个 关 键 的 工 艺 问 题 并 不 是 技 术 上 的 ; 它 是 可 用 性 问 题 。 特 别 是 , 器 件 仿 真 模 型规 划 、 测 试 芯 片 、 实 例 , 以 及 代 工 线 产 品 等 必 须 要 满 足 系 统 设 计 人 员 的 开 发 计 划 要求 。 必 须 尽 早 为 FPGA 设 计 人 员 提 供 工 艺 模 型 , 以 便 他 们 估 算 芯 片 能 够 实 现 多 高 的性 能 , 在 系 统 设 计 流 程 早 期 将 这 一 信 息 传 递 给 系 统 规 划 人 员 。 必 须 为 硬 件 原 型 开 发提 供 实 例 和 开 发 套 件 , 以 便 开 始 硬 件 和 软 件 集 成 。 当 然 , 进 行 系 统 投 产 时 , 应 能 够批 量 提 供 FPGA。“ 可 用 性 ” 是 上 面 讨 论 的 问 题 的 关 键 所 在 : 为 什 么 我 们 不 采 用 FinFET 来 开 发 所 有的 东 西 ? 但 是 , 还 有 另 外 一 种 回 答 。 在 目 前 的 很 多 应 用 中 , 现 有 的 28 nm 或 者 新 出 现的 20 nm 平 面 FET 工 艺 能 够 满 足 系 统 设 计 的 特 殊 需 求 。 这 些 系 统 设 计 不 需 要 等 待FinFET 工 艺 。 为 了 解 这 是 这 样 工 作 的 , 我 们 需 要 查 看 现 代 FPGA 中 的 每 一 类 结 构 。FPGA 内 部半 导 体 工 艺 的 技 术 特 征 表 现 在 系 统 行 为 上 , 就 是 影 响 FPGA 内 部 的 很 多 不 同 结 构 。在 以 前 的 工 艺 代 中 , 认 为 FPGA 是 统 一 的 可 编 程 逻 辑 架 构 , 周 围 是 通 用 I/O 可 配 置环 , 这 种 看 法 是 正 确 的 。 今 天 , 这 种 模 型 已 经 不 正 确 了 。现 代 FPGA 含 有 四 种 不 同 类 型 的 功 能 模 块 : 可 编 程 逻 辑 架 构 、 基 于 单 元 的 数 字 知 识产 权 (IP)、 手 动 设 计 的 模 块 RAM, 以 及 定 制 模 拟 IP ( 图 2)。 这 些 都 会 对 新 工 艺 特 性有 不 同 的 影 响 。图 2. 现 代 FPGA 混 合 了 可 编 程 逻 辑 、 基 于 单 元 的 IP 以 及 模 拟 模 块 , 如 这 一 AlteraStratix® V 图 所 示 。

FPGA 逻 辑 架 构 实 际 上 是 大 量 经 过 复 制 的 定 制 设 计 逻 辑 单 元 (LE) 阵 列 —— 微 小SRAM, 复 用 器 和 寄 存 器 , 以 及 交 换 结 构 , 覆 盖 了 非 常 复 杂 的 多 层 金 属 。 因 此 , 可编 程 架 构 的 设 计 是 要 在 LE 实 现 多 少 功 能 以 及 单 元 需 要 多 少 互 联 之 间 达 到 很 好 的 平衡 。 对 于 某 一 体 系 结 构 , 架 构 的 总 密 度 对 底 层 和 中 间 金 属 层 的 层 距 非 常 敏 感 。 但 是 ,由 于 规 划 人 员 尝 试 使 用 互 联 堆 叠 下 面 所 有 的 可 用 区 域 , 因 此 , 对 于 LE 中 晶 体 管 的封 装 密 度 也 非 常 敏 感 。 用 户 在 逻 辑 架 构 中 实 现 的 电 路 的 速 度 和 功 效 取 决 于 晶 体 管 特性 , 也 与 架 构 密 度 , 互 联 RC 产 品 和 晶 体 管 驱 动 电 流 有 关 。因 此 , 一 般 而 言 , 能 够 提 供 较 小 金 属 层 距 以 及 封 装 更 紧 密 的 晶 体 管 的 工 艺 可 以 实 现密 度 较 高 的 逻 辑 架 构 , 对 于 用 户 电 路 , 性 能 更 好 , 功 耗 更 低 。 泄 漏 电 流 是 逻 辑 架 构的 一 个 特 殊 问 题 , 这 是 因 为 , 芯 片 设 计 人 员 并 不 知 道 用 户 怎 样 使 用 可 编 程 逻 辑 , 他们 使 用 电 路 级 功 耗 管 理 技 术 来 降 低 基 于 单 元 的 设 计 的 静 态 功 耗 , 这 种 方 法 能 力 有 限 。相 反 , 基 于 单 元 的 数 字 IP 有 关 键 通 路 , 这 些 通 路 主 要 是 通 过 本 地 短 互 联 或 者 底 层 金属 直 接 互 相 连 接 的 快 速 晶 体 管 。 现 代 FPGA 中 的 这 一 类 结 构 包 括 数 字 信 号 处 理 (DSP)模 块 、I/O 和 存 储 器 控 制 器 、 增 强 CPU 内 核 , 等 等 。 这 些 IP 模 块 的 大 小 主 要 受 仔 细封 装 的 标 准 单 元 库 的 密 度 的 影 响 , 以 及 库 中 各 种 单 元 的 影 响 。 在 可 编 程 架 构 中 , 用户 可 以 开 发 需 要 的 任 何 电 路 , 而 基 于 单 元 的 硬 核 IP 是 预 先 定 义 好 的 , 因 此 , 芯 片 设计 人 员 可 以 采 用 所 有 的 功 耗 管 理 技 术 。 这 样 , 硬 核 数 字 IP 将 极 大 的 受 益 于 更 小 的 工艺 尺 寸 以 及 更 高 的 晶 体 管 速 度 , 在 系 统 层 , 可 以 使 用 功 耗 管 理 技 术 , 调 整 平 面 FET较 大 的 泄 漏 电 流 。模 块 RAM 是 一 类 特 殊 的 基 于 单 元 的 IP。 一 般 使 用 代 工 线 提 供 的 , 经 过 手 动 优 化 的SRAM 单 元 进 行 开 发 , 但 是 ,FPGA 设 计 人 员 通 常 会 调 整 阵 列 , 在 模 块 应 用 的 范 围内 , 优 化 速 度 、 密 度 和 功 耗 。 由 于 模 块 非 常 灵 活 , 因 此 , 很 难 在 FPGA RAM 上 实现 功 耗 管 理 策 略 。FPGA 中 的 其 他 结 构 可 能 不 会 对 晶 体 管 的 所 有 特 性 变 化 敏 感 。

这 些 考 虑 意 味 着 , 某 一 系 统 应 用 FPGA 的 最 佳 工 艺 选 择 取 决 于 系 统 设 计 对 可 编 程 架构 和 基 于 单 元 的 逻 辑 的 相 对 压 力 。 对 系 统 总 体 性 能 还 有 一 定 影 响 的 是 在 架 构 中 实 现的 模 块 的 行 为 ,28 nm 或 者 20 nm 工 艺 中 端 FPGA 能 够 以 较 低 的 成 本 在 较 短 的 时 间内 实 现 所 需 要 的 系 统 性 能 。最 后 , 还 有 高 性 能 模 拟 IP 的 问 题 , 这 些 IP 是 目 前 锁 相 环 (PLL) 和 串 化 器 解 串 器 (SerDes)电 路 的 主 要 构 成 。 这 些 设 计 并 没 有 采 用 最 小 层 距 , 相 反 , 使 用 了 各 种 尺 寸 的 晶 体 管 、电 路 布 局 和 金 属 层 间 距 , 这 些 通 常 涉 及 到 了 手 动 布 局 。 它 们 对 于 晶 体 管 的 电 气 行 为非 常 敏 感 , 包 括 , 数 字 工 程 师 不 太 关 心 的 一 些 参 数 。 数 字 设 计 人 员 仿 真 逻 辑 功 能 ,模 拟 设 计 人 员 仿 真 晶 体 管 。 对 于 模 拟 设 计 人 员 , 另 一 个 绝 对 关 键 的 问 题 是 一 致 性 :很 多 标 准 电 路 依 靠 密 切 匹 配 的 成 对 的 晶 体 管 来 实 现 。在 finFET 上 还 有 一 些 争 论 。 某 些 模 拟 设 计 人 员 指 出 , 您 不 能 为 FinFET 选 择 任 意 宽度 。 由 于 晶 体 管 是 竖 立 在 侧 面 , 意 味 着 是 在 纵 向 测 量 宽 度 , 因 此 , 它 们 必 须 有 相 同的 宽 度 。 您 可 以 使 用 一 个 最 小 宽 度 的 FinFET, 或 者 , 您 希 望 电 流 更 大 , 可 以 将 几 个并 联 起 来 使 用 。 这 些 设 计 人 员 担 心 , 模 拟 设 计 人 员 很 难 甚 至 无 法 在 其 熟 悉 的 电 路 拓扑 中 使 用 这 些 新 晶 体 管 。但 是 , 其 他 有 经 验 的 模 拟 设 计 人 员 指 出 , 更 高 的 速 度 、 更 强 的 沟 道 控 制 , 以 及 , 特别 是 FinFET 更 好 的 一 致 性 , 对 于 模 拟 设 计 都 非 常 有 利 , 远 远 抵 消 了 晶 体 管 宽 度 的量 化 问 题 。 争 论 还 在 继 续 , 而 Intel 在 CPU 中 模 拟 结 构 上 的 工 作 表 明 , 它 们 使 用 其22 nm 三 栅 极 工 艺 开 发 了 这 一 结 构 , 三 栅 极 晶 体 管 极 大 的 提 高 了 高 精 度 模 拟 设 计 的性 能 。采 用 合 适 的 工 艺 开 始 定 制我 们 看 到 工 艺 特 性 以 不 同 的 方 式 影 响 FPGA 的 不 同 结 构 。 相 似 的 , 不 同 的 应 用 对 这些 FPGA 结 构 有 不 同 的 要 求 。 结 果 , 在 一 定 时 期 内 , 没 有 一 种 工 艺 技 术 能 够 为 多 种应 用 提 供 最 合 适 的 平 台 。 计 划 、 成 本 和 性 能 要 求 促 使 FPGA 中 的 某 些 结 构 采 用 混 合定 制 方 法 来 实 现 , 以 满 足 FPGA 设 计 对 多 种 工 艺 选 择 的 要 求 。三 个 实 例 说 明 了 这 一 点 。 首 先 , 考 虑 一 个 单 芯 片 电 机 控 制 SoC ( 图 3)。 芯 片 接 收 来自 四 个 电 机 的 连 杆 传 感 器 位 置 数 据 , 都 是 较 高 的 kHz 速 率 , 以 较 低 的 MHz 速 率 驱动 四 个 驱 动 电 路 板 。 它 连 接 至 中 速 DDR2 DRAM, 进 行 编 码 和 数 据 存 储 , 连 接 至 工业 以 太 网 , 将 SoC 连 接 至 工 厂 车 间 控 制 网 络 。图 3. 单 芯 片 多 轴 电 机 控 制 器 结 合 了 基 于 单 元 的 DSP 电 路 来 计 算 FOC 算 法 , 可 编 程逻 辑 对 I/O 信 号 进 行 编 码 和 解 码 ,CPU 用 于 管 理 和 功 能 安 全 算 法 。