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

圖2. 晶體管源極漏電流
源極至漏極泄漏也被稱為亞閾值泄漏，是漏電流的主要因素。在這里，即使晶體管邏輯門關(guān)斷，電流也會(huì)從晶體管源極流向漏極。由于晶體管越來越小，很難防止出現(xiàn)這類電流，因此，在其他參數(shù)都相同的條件下，較小的40-nm 晶體管比大工藝尺寸的晶體管更容易出現(xiàn)源極至漏極泄漏，而且漏電流更大。
晶體管閾值電壓(Vt) 也會(huì)影響源極至漏極泄漏的大小。晶體管Vt 是溝道開始傳導(dǎo)柵極和源極之間電流的電壓值。較小的高速晶體管需要較低的Vt 通過柵極控制來保持晶體管打開和關(guān)斷的速率，但是由于晶體管溝道不能徹底關(guān)斷，這也會(huì)增加漏電流。另一問題是柵極氧化層的厚度，它和攙雜一起也會(huì)影響Vt。較薄的氧化層使晶體管能夠更迅速地開關(guān)，但是也增加了從柵極到基底氧化層的漏電流。隨著工藝尺寸的減小，邏輯門長(zhǎng)度越來越短，這些漏電流在增大，如圖3 所示。

圖3. 靜態(tài)功耗隨著工藝尺寸的減小而顯著增大
Altera 主要采用5 種方法來降低漏電流，如表3 所示。

所有方法都對(duì)性能有影響，使晶體管不能以最大速率工作。然而， Altera 進(jìn)行了明智的選擇，在晶體管級(jí)以性能換取低功耗，維持器件總體性能不變。通過分析除了上面介紹的5 種方法， Altera 采用了其獨(dú)特的可編程功耗技術(shù)來降低靜態(tài)功耗。這一專利功能內(nèi)置在Stratix IV 器件芯片中，使Quartus® II 開發(fā)軟件能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求，改變晶體管Vt，以平衡性能和功耗。圖4所示為可編程功耗技術(shù)的高級(jí)實(shí)現(xiàn)， Quartus II 軟件根據(jù)時(shí)序驅(qū)動(dòng)的編輯功能分析用戶FPGA 設(shè)計(jì)，選擇邏輯陣列中的哪些晶體管應(yīng)該采用高速模式，哪些應(yīng)該采用低功耗模式。通過改變跨過反向偏置電壓的晶體
管Vt，減小了時(shí)序不重要通路上的晶體管泄漏( 增大Vt)，從而實(shí)現(xiàn)了低功耗，同時(shí)在需要的地方保持高性能不變。

圖4. 可編程功耗技術(shù) (1) 通過設(shè)置晶體管反向偏置，平衡了功耗/ 性能。
注釋：
(1) 這是可編程功耗技術(shù)非常簡(jiǎn)單的“模型”。實(shí)際情況各種各樣，并擁有專利。
為降低器件的動(dòng)態(tài)功耗，在40-nm 器件上， Altera 將以前器件系列使用的1.1V 內(nèi)核電壓降到了0.9V。晶體
管開關(guān)期間消耗的功率與V2C ( 其中， C 是電容) 成正比，因此，降低供電電壓會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)功耗按平方比
例下降。
減小內(nèi)核電壓也會(huì)影響晶體管性能，但是Altera 再次利用了40-nm 節(jié)點(diǎn)的高性能特性來保持器件級(jí)性能不變。如前所述，和以前的工藝節(jié)點(diǎn)相比， Altera 在40-nm 節(jié)點(diǎn)某些晶體管上具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力， IC 設(shè)計(jì)人員能夠在驅(qū)動(dòng)能力和降低功耗上達(dá)到平衡。
此外， Altera 在其收發(fā)器上降低了每個(gè)發(fā)送器和接收器通道的功耗，進(jìn)一步降低了總功耗。Altera Stratix
IV FPGA還通過動(dòng)態(tài)片內(nèi)匹配(OCT) 技術(shù)降低了有功功耗。采用動(dòng)態(tài)OCT后，可以根據(jù)需要來接通或者關(guān)斷Altera 器件中的匹配電阻。在存儲(chǔ)器讀/ 寫周期中，關(guān)斷不需要的匹配電阻，去掉了電阻上的壓降，對(duì)于72 位接口，功耗能夠降低1.2 瓦。
表3. Altera 降低漏電流采取的方法
方法對(duì)降低功耗的影響對(duì)性能的影響
通過攙雜提高晶體管Vt 降低源極至漏極漏電流提高了晶體管接通電壓，降低了開關(guān)速度。
增大晶體管溝道長(zhǎng)度降低源極至漏極漏電流降低了晶體管開關(guān)速度
采用更厚的邏輯門氧化層降低柵極至基底漏電流提高了晶體管Vt，降低了開關(guān)速度。
通過可編程功耗技術(shù)提高晶體管Vt 降低源極至漏極漏電流提高了晶體管接通電壓，降低了開關(guān)速度。
降低VCC 降低總漏電流降低了開關(guān)速度
5
總之， Altera 在Arria II GX 器件上采取低功耗技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)了帶有3.75-Gbps 收發(fā)器、功耗最低的FPGA，其功耗比競(jìng)爭(zhēng)器件低65％。對(duì)于Stratix IV FPGA，采取低功耗措施后，和65-nm Stratix III FPGA 中實(shí)現(xiàn)的相似設(shè)計(jì)相比，總功耗( 待機(jī)功耗 + 動(dòng)態(tài)功耗) 平均降低了30％。
從技術(shù)領(lǐng)先到平穩(wěn)提高產(chǎn)量成功推出首款40-nm FPGA 是非常重要的事件，但是Altera 的目標(biāo)不止于此，還要象以前工藝節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品那樣，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量可靠交付。通過努力， Altera 依靠其可靠的開發(fā)實(shí)踐，包括強(qiáng)大的測(cè)試芯片計(jì)劃、嚴(yán)格的器件檢驗(yàn)程序以及在提高產(chǎn)量上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，獲得了極大的成功。所有這些方面都得到了業(yè)界堅(jiān)實(shí)的代工線合作伙伴的有力支持。
Altera 的代工線合作伙伴TSMC 是代工線市場(chǎng)的領(lǐng)先者。在專業(yè)代工線領(lǐng)域，TSMC 占據(jù)了50％以上的世界市場(chǎng)份額，年度研究和開發(fā)投入超出最相近競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手55％。這些投入使TSMC 在光刻和可生產(chǎn)性設(shè)計(jì)(DFM) 方面占據(jù)了業(yè)界領(lǐng)先位置，進(jìn)一步保證了TSMC 能夠成功交付高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品。最重要的是，在40-nm 節(jié)點(diǎn)， TSMC 是浸入式光刻技術(shù)的領(lǐng)先者，該工藝結(jié)合光刻透鏡和清澈液體，透過分辨率更高的光線，實(shí)現(xiàn)了更小、封裝更緊湊的器件。浸入式光刻是大部分半導(dǎo)體公司開發(fā)45-nm 節(jié)點(diǎn)及后續(xù)節(jié)點(diǎn)技術(shù)所選用的工藝，普遍認(rèn)為也是32-nm 節(jié)點(diǎn)要采用的技術(shù)。
和TSMC 一起， Altera 積極組織了多個(gè)聯(lián)合工藝開發(fā)團(tuán)隊(duì)，以解決工藝開發(fā)面臨的各種問題，包括功耗/性能、建模、測(cè)試芯片規(guī)劃、存儲(chǔ)器、可靠性、聚乙烯熔絲、DFM、RF/ 模擬、ESD 和封裝等。所有團(tuán)隊(duì)在雙方產(chǎn)品交付和先進(jìn)性上達(dá)成一致，精誠(chéng)合作，堅(jiān)持到底。
業(yè)界最可靠的測(cè)試芯片技術(shù)Altera 的實(shí)踐表明，在130nm、90nm 和65-nm 器件生產(chǎn)中，對(duì)于新半導(dǎo)體工藝體系結(jié)構(gòu)和器件特性的早期評(píng)估以及精細(xì)加工，測(cè)試芯片技術(shù)是非常有價(jià)值的工具。這一策略使Altera 的器件產(chǎn)量穩(wěn)步上升，已經(jīng)證明是可編程邏輯行業(yè)最具特色的一點(diǎn)。在40-nm 節(jié)點(diǎn)， Altera 以可靠的9 種測(cè)試芯片計(jì)劃為其最新一代產(chǎn)品獲得成功再次建立了強(qiáng)大的基礎(chǔ)。
由于需要大量的模板，采用測(cè)試芯片意味著較大的投入。Altera 與TSMC 密切合作，保持了工藝效率，降低了成本。例如， TSMC 自己制造大量的測(cè)試晶片，全面進(jìn)行特性測(cè)試，調(diào)整制作方法，然后監(jiān)控產(chǎn)品。
通過密切合作，在代工線晶片早期階段實(shí)現(xiàn)了“背負(fù)式”測(cè)試結(jié)構(gòu)，縮短了Altera 產(chǎn)品投產(chǎn)時(shí)間，使客戶能夠盡早使用最先進(jìn)的技術(shù)。同樣的，在Altera 的幫助下， TSMC 能夠有機(jī)會(huì)使用其模板進(jìn)行更多的測(cè)試。結(jié)果對(duì)雙方都有好處。
通過采集并分析測(cè)試芯片數(shù)據(jù)， Altera 深入研究了各種隨機(jī)和系統(tǒng)偏差的影響，開發(fā)設(shè)計(jì)策略來降低甚至消除這些不利影響。Altera 在測(cè)試芯片上的大量投入幫助客戶避免了前沿半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管理的關(guān)注展示了Altera 在可靠交付新技術(shù)產(chǎn)品上的承諾， Altera 不會(huì)中斷或者以有限的產(chǎn)量向客戶供貨，也不會(huì)提供達(dá)不到要求的產(chǎn)品。