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來(lái)源：semiengineering 在這樣一個(gè)對數字電路處理有利的世界中,模擬技術(shù)更多地用來(lái)處理對它們不利的過(guò)程。但這個(gè)現象可能正在改變。 我們生活在一個(gè)模擬世界中,但數字技術(shù)已經(jīng)成為主流技術(shù)�；旌闲盘柦鉀Q方案過(guò)去包含大量模擬數據,只需要少量的數字信號處理,這種方案已經(jīng)遷移到系統應用中,在系統中第一次產(chǎn)生了模數轉換過(guò)程。 模擬技術(shù)衰落有幾個(gè)原因,其中一些是建立在自身缺陷上的。摩爾定律適用于數字電路而不是模擬電路;晶體管可以而且必須做得更小,這有利于數字電路。但這對模擬晶體管的影響并不大,反而器件尺寸越小,模擬器件特性往往越差。器件的小型化一直是這個(gè)世界技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵,在這一點(diǎn)上模擬技術(shù)不能跟上時(shí)代,漸漸被遺忘了。 工藝技術(shù)已經(jīng)針對數字化進(jìn)行了優(yōu)化,這并不奇怪,但這對剩下的模擬元件造成越來(lái)越大的壓力。產(chǎn)品生命周期中的制造工藝變化和參數退化在模擬世界中更具挑戰性。這意味著(zhù)模擬元件需要比數字元件更多的分析和巧妙的設計。 模擬技術(shù)仍然被認為是一種藝術(shù),而且自動(dòng)化并沒(méi)有以數字方式遷移到工具中,這意味著(zhù)模擬生產(chǎn)力繼續下降。我們正在發(fā)現在芯片中,即使是非預期的模擬內容也占據了SoC表面積很大的一部分,而且模擬器件的設計需要很長(cháng)時(shí)間,也要承擔風(fēng)險。 諷刺的是,隨著(zhù)數字設備越來(lái)越小,芯片越來(lái)越大,SoC設計的幾個(gè)方面開(kāi)始看起來(lái)更像是模擬問(wèn)題。時(shí)鐘和功率分配正在迅速成為模擬問(wèn)題。芯片依賴(lài)于PHY電路移動(dòng)圍繞系統移動(dòng)數據,這些是模擬電路的特點(diǎn)。 對于不能兼容模擬內容的芯片(基本上也就意味著(zhù)所有芯片),上述幾個(gè)方面僅僅是為什么摩爾定律無(wú)法實(shí)現芯片總面積、功率、性能提升的部分原因,缺乏對模擬信號和器件的關(guān)注,這是數字芯片現在付出代價(jià)的原因。 業(yè)界對這一趨勢沒(méi)有任何論據。Morton CTO首席技術(shù)官Oliver King表示:“領(lǐng)先的高級工藝非常適用于邏輯密度和性能設計,因此模擬電路必須遵守設計規則所帶來(lái)的限制。同樣的情況是,這些過(guò)程的建模并沒(méi)有針對模擬設計進(jìn)行優(yōu)化�！� 西門(mén)子商業(yè)顧問(wèn)公司的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理杰夫·米勒補充說(shuō):“小功能尺寸的先進(jìn)工藝節點(diǎn)設計確實(shí)可以滿(mǎn)足大規模數字邏輯的需求。低電壓、低功耗和地成為的邏輯晶體管是促進(jìn)摩爾定理繼續想數字方向發(fā)展的關(guān)鍵因素。然而,對于模擬設計團隊來(lái)說(shuō),將其用于越來(lái)越小的特征尺寸的好處并不能轉化。雖然在16nm及以下確實(shí)有很多模擬設計正在使用finFET和多模式化的工藝節點(diǎn),但這通常是允許大數字和模擬(元件)在同一個(gè)芯片(die)上共存�！� 工藝技術(shù) 有跡象表明,隨著(zhù)摩爾定律的放緩,這種情況可能會(huì )發(fā)生變化。Synopsys的TCAD產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Ric Borges說(shuō):“創(chuàng )造工藝設計的公司有它們自己關(guān)注的三個(gè)重要方面。成本是非常重要的,而且必須與性能、功率特性和可靠性相平衡,一些諸如汽車(chē)和醫療之類(lèi)的應用,在可靠性方面非常嚴格,而其他應用則不那么嚴格�！� Borges指出,有很多模擬工藝使用較大的功能尺寸�！昂芏嗳巳栽�180和130nm尺寸內制造。在該基準線(xiàn)內,可能存在解決不同功率或電壓水平的衍生物�！� 可能需要不同的思考方式來(lái)解決問(wèn)題�！案唠妷壕w管的尺寸往往沒(méi)有得到很好的優(yōu)化�！� Microsemi的集成電路工程總監Mathieu Sureau說(shuō):“在某些情況下,鑄造廠(chǎng)可能只會(huì )提供比我們需要的更高的給定電壓擊穿,這讓我們面臨兩個(gè)選擇 ——不去做任何改變,我們將面臨尺寸損失;或者開(kāi)發(fā)我們自己的器件,但這不是最佳方案,因為我們需要驗證它的可靠性�！� 混合信號通常必須利用更多的現代工藝來(lái)獲得必要的數字密度。Synopsys產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)副總裁Tom Ferry說(shuō):“我們開(kāi)始看到工藝技術(shù)公司采用數字28nm制程并創(chuàng )建衍生產(chǎn)品。這些是針對具有比傳統28nm技術(shù)具有更多模擬或功率內容的特定設計�！� 模擬設計規則可能包含額外的復雜性。Miller指出:“在聚焦數字化的工藝節點(diǎn)中,設計規則主要是保證可制造性和產(chǎn)量。在模擬技術(shù)中,通常還有其他設計規則用于捕獲許多‘模擬效應’,例如良好的鄰近效應(proximity effects)、應力效應(由于STI等)和模式變化(proximity effects)效應。它們可能導致晶體管尺寸大于最小可制造尺寸,用于精確或匹配區域。換句話(huà)說(shuō),模擬技術(shù)通常會(huì )模擬高級節點(diǎn)中更大特征尺寸的工藝,從而進(jìn)一步降低了模擬模塊的工藝縮放的優(yōu)勢�！� 但是存在一些問(wèn)題,有人從中看到了機遇。Sureau指出:“Guarding / latchup準則/ PDK規則對于許多設備通常很差或不存在。這為設計團隊提供了可能獲得優(yōu)勢的空間,或者至少與其他團隊有所區別,關(guān)鍵在于他們如何以最優(yōu)化的方式克服這些問(wèn)題�！� Synopsys認為, TCAD技術(shù)越來(lái)越多的使用幫助代工廠(chǎng)優(yōu)化和生產(chǎn)衍生產(chǎn)品工藝技術(shù)。TCAD采用晶體管的物理表征,并對晶體管的制造組裝進(jìn)行了物理描述。然后,一旦定義了物理結構,就可以進(jìn)入設備模擬來(lái)分析性能�！八�可以確定如何修改制造過(guò)程,以便能夠實(shí)現我想要在我的產(chǎn)品中使用的一些器件級或電路級特性,” Borges解釋說(shuō),“這可以在任何晶圓被創(chuàng )建之前完成,并且可以顯著(zhù)縮小我們需要探索的空間。然后,您可能需要進(jìn)行一些晶圓運行來(lái)驗證仿真是否正確。這可以做得更快,因為有很多不合理的部分已經(jīng)被消除了�！� 競爭格局 隨著(zhù)我們遷移到finFET,數字電路再次受到青睞�！盀�7nm的 finFET數字設計PLL非常困難�！盕erry說(shuō)“模擬設計很難。 finFET主要用于數字化�！� Miller證實(shí):“FinFET對模擬來(lái)說(shuō)并不是很友好。設計人員僅限于少量設備尺寸,互連寄生效應往往更難解決,而且還需要考慮更多與layout相關(guān)的效應,必須實(shí)現設備之間的良好匹配�！� 隨著(zhù)汽車(chē)成為半導體消費大戶(hù),未來(lái)可能會(huì )有好消息。 “通過(guò)TCAD,工藝設計公司可以了解它們對于PLLs和其他模擬部件的工作效果�！盕erry說(shuō):“隨著(zhù)芯片進(jìn)入汽車(chē)市場(chǎng)的模擬內容越來(lái)越多,可靠性也越來(lái)越重要,因為它們的市場(chǎng)越來(lái)越大,所以我們會(huì )有更多的類(lèi)型。 今天汽車(chē)設計的芯片比五年前要多。 這使得他們值得投資更多的錢(qián),以便獲得更多的生意。我們需要平衡這個(gè)郭晨,以滿(mǎn)足集成部件的數字和模擬需求�！� 需要大量模擬芯片的芯片,包括傳感器、電源管理、集成MEMS和成像應用等組件,并不急于獲得數字支持的最新節點(diǎn)。許多這些組件中需要與高電壓相互作用,對噪聲非常敏感,并受益于標準邏輯過(guò)程中無(wú)法獲得的特殊器件類(lèi)型和隔離技術(shù)。 Miller說(shuō):“這導致了專(zhuān)門(mén)從事模擬能力的“超摩爾” 工藝節點(diǎn)的興起。這些技術(shù)是新的工藝風(fēng)格,但應用于更大的特征尺寸(高達180nm!),并且支持雙極晶體管、高壓DMOS器件(一些器件能夠處理超過(guò)100V!),以及埋井和其他隔離策略,允許高精準模擬與嘈雜數字共存。 當模擬是設計的關(guān)鍵需求時(shí),我們看到很多客戶(hù)選擇這些工藝�！� 分出勝負 已經(jīng)開(kāi)發(fā)了設計技術(shù)來(lái)幫助模擬電路克服其中的一些問(wèn)題。例子包括后期校準和模擬電路的數字輔助,以動(dòng)態(tài)調整變化。 這些不是免費的。 數字補償的一個(gè)例子是流水線(xiàn)ADC。 這具有計算開(kāi)銷(xiāo)和數字的延遲,意味著(zhù)補償比純模擬實(shí)現更慢,并增加了總功耗。 在技術(shù)節點(diǎn)上也可能有妥協(xié)的余地�！皩τ诨旌闲盘栐O計來(lái)說(shuō),數字內容龐大,但這不足以證明跳轉到finFET的合理性,我們看到大量針對65nm的設計是一個(gè)不錯的中間位置�！� Miller說(shuō):“對于需要一些射頻功能的設計,例如針對IoT邊緣設備市場(chǎng)的設計,這一點(diǎn)尤其如此�！� 可靠性 老化模型(Aging models)已經(jīng)基于數字電路開(kāi)發(fā),并且在生命周期中,對模擬/ RF可靠性的關(guān)注不多。對于必須保證產(chǎn)品壽命的汽車(chē)和醫療應用來(lái)說(shuō),這可能會(huì )成為一個(gè)更大的問(wèn)題。許多模擬電路依賴(lài)于匹配,這意味著(zhù)如果兩個(gè)組件老化程度和方式不相似,則會(huì )產(chǎn)生其他問(wèn)題。這可能導致更頻繁的重新校準,也可能導致更復雜的設計。 如果器件無(wú)法重新連接到測試儀進(jìn)行校準,也可能意味著(zhù)芯片或系統需要額外的復雜性。 較小的幾何形狀具有更多的可變性�！坝捎谖覀兡軌蛞源罅康募毠潄�(lái)模擬制造工藝,所以我們可以在制造工藝流程中注入可變性”,Borges說(shuō):“隨著(zhù)規模的不斷擴大,這一趨勢正變得越來(lái)越重要。通常,對于與數字相關(guān)的模擬應用,如設備匹配來(lái)說(shuō),這些效果變得更為重要。需要精心設計的過(guò)程來(lái)實(shí)現著(zhù)一些功能�！� 必須注意,不需要對這些模型產(chǎn)生太多的悲觀(guān)情緒�！爸匾氖潜３窒嚓P(guān)變異的來(lái)源,因為實(shí)際上,一些變異性來(lái)源可能在某種程度上互相抵消�！彼f(shuō)。 結論 業(yè)界長(cháng)期以來(lái)對數字化的關(guān)注已經(jīng)導致模擬技術(shù)被盡可能地擠出圈子,但模擬總是必須的。今天,當模擬內容很重要是,對于這個(gè)問(wèn)題的答案是,留在較大的節點(diǎn)上,但是代工廠(chǎng)的額外努力可能產(chǎn)生一些更好的折中方案,允許數字和模擬可以集成而不會(huì )有不公平的偏見(jiàn)。汽車(chē)可能是推動(dòng)這一趨勢的行業(yè)。 |
