持續(xù)集成不再是半導體的自然發(fā)展方向。需要發(fā)生什么才能使它變得更容易？

趨勢

只是因為可以做的事情并不總是意味著它應該完成。半導體行業(yè)的一個領(lǐng)域正在學習如何繼續(xù)保持芯片集成的不利方面。與此同時，另一個小組剛剛開始看到將功能整合到單一基板上的好處。

一直遵循摩爾定律并將工藝技術(shù)曲線降至7納米的公司不得不重新考慮他們的許多選擇，尤其是如果內(nèi)容包含任何高速模擬信號。但即使是完全數(shù)字化的芯片也存在問題。

與此同時，尋求成本敏感，電池供電的物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備的公司正迅速從集成在板上的標準部件制造的設(shè)計轉(zhuǎn)向結(jié)合MEMS，模擬，RF和數(shù)字的SoC。他們以非常可控的速度跟蹤技術(shù)曲線。當他們在考慮芯片集成時，他們非常擔心IP中額外的不需要的功能。

摩爾定律的終點

摩爾定律已經(jīng)為半導體行業(yè)提供了五十年的動力，盡管技術(shù)上沒有終點，但它肯定會在經(jīng)濟上放緩。

“雖然我們?nèi)匀粨碛心柖傻拿芏葍?yōu)勢，但我們現(xiàn)在關(guān)注的是性能，功耗和成本之間的權(quán)衡，”Cadence設(shè)計系統(tǒng)IP集團業(yè)務開發(fā)總監(jiān)Tom Wong說。 “在28納米以下，由于工藝技術(shù)的復雜性，設(shè)計成本猛增。我們現(xiàn)在處理光刻效應，多圖案化和finFET設(shè)計，以及許多其它技術(shù)挑戰(zhàn)。看看28nm與16nm與10nm的掩模成本，我們敢問7納米掩模的價格是多少嗎？“

各個領(lǐng)域的成本都在上漲。 “移動到下一個工藝節(jié)點的優(yōu)勢在于性能和功耗更低，”Rambus公司內(nèi)存和接口部門副總裁Hemant Dhulla說。 “巨大的缺點是流片和掩模的成本。當你從一代工藝升級到另一代工藝時，它的成本會大幅增加。這不是線性增長。沒有太多的公司可以承受7nm的流片成本。“

持續(xù)縮放的挑戰(zhàn)

還有另一個組件需要花費資金。 “更多的功能增加價值，但也導致芯片面積增加，從而導致產(chǎn)量下降和成本增加，”ARM研發(fā)部門主管兼技術(shù)總監(jiān)Rob Aitken補充道。

盡管一些市場對成本不敏感，并且愿意允許芯片面積增長，但它們正在達到極限。 “總會有一些公司推動新代工技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢，因為他們可以利用更多的晶體管以及他們從一代工藝升級到另一代工藝獲得的節(jié)能優(yōu)勢，”Dhulla說。 “他們真的試圖推動盡可能高的系統(tǒng)性能，并且他們能夠為他們的產(chǎn)品收取高昂的價格。所以在很大程度上，成本是次要問題。即便如此，他們可能無法將整個設(shè)計納入芯片中。因為你可能會遇到兩種限制。一種是光刻尺寸限制，另一種涉及I / O限制的設(shè)計。“

光刻尺寸限制了可以使用單個掩模曝光的芯片表面積的量。這是由光刻設(shè)備設(shè)置的，它定義了可以暴露的最大尺寸，而不會由于掩模中的變形或瑕疵造成錯誤。如果要制作更大尺寸的芯片，則需要使用不同的掩模組進行多次相鄰曝光，所有這些都必須精確對齊。

Aitken指出：“新的封裝和組裝選項擴大了解決方案的空間，允許復雜的設(shè)計對于分劃板來說太大 - 或者單芯片產(chǎn)量會低得令人無法接受 - 可以分成幾個芯片，”Aitken指出。

直到最近，成本阻止了使其成為一個可行的解決方案。 “當你使用7nm和5nm芯片時，盡可能在老舊技術(shù)上分配盡可能多的東西是有道理的，”ArterisIP首席技術(shù)官Ty Garibay說。 “7nm和5nm非常昂貴，因此在成本范圍內(nèi)有足夠的空間來優(yōu)化。它使您可以將產(chǎn)品的關(guān)鍵部分優(yōu)化為最適合的工藝流程。“

另外，新工藝節(jié)點對模擬不利。 “業(yè)界已經(jīng)知道某些東西不能很好地擴展，”SRF Technologies和Certus Semiconductor總裁Stephen Fairbanks補充道。 “數(shù)字可以縮放，但模擬不行。例如比以往任何時候都更具有模擬特性的傳感器，高電壓傳感器和脈寬調(diào)制電源以及直流對直流轉(zhuǎn)換器 - 當你使用finFET技術(shù)時，這些都不能很好地集成。“

但這并不意味著模擬是不可能的。 “關(guān)于finFET器件滿足高速模擬內(nèi)容所要求的速度仍存在爭議，”Synopsys DesignWare模擬和MSIP解決方案事業(yè)部高級營銷總監(jiān)Navraj Nandra解釋道。 “射頻領(lǐng)域的從業(yè)者看到更多的電容與finFET結(jié)構(gòu)，這限制了器件的轉(zhuǎn)換頻率。但人們?nèi)栽谟胒inFET進行創(chuàng)新，并計算出制作鰭片（fin）的高度，如何減少晶體管上的鰭片數(shù)量，以及可能改變器件性能的其他事情。但一般的學校認為，如果你想要高性能射頻，你最好將無線電的那部分放在片外。“

只要這成為可能，它就會提供更多的選擇。 “如何在針對數(shù)字邏輯設(shè)計的過程中針對超高性能模擬或低功耗模擬進行優(yōu)化”，Garibay提出的問題。 “開發(fā)人員將更加容易問到如何以不同的方式解決問題，而不是越來越難，因為上市時間本身就是成本函數(shù)。”

這些問題在芯片規(guī)劃過程中越來越頻繁地出現(xiàn)。 Cadence的Wong補充說：“SoC的新特性不利于集成在同一芯片上，因為它們具有RF，無線或MRAM等特定要求。” “一些功能可能需要砷化鎵，氮化鎵或其他深奧的工藝，而主流功能將繼續(xù)依賴大批量的CMOS。我們已經(jīng)看到從PolySiON向HKMG過渡到finFET，現(xiàn)在開始看到EUV的首次實施。我們距離3nm還差得很遠，那里將會有另一項重大技術(shù)轉(zhuǎn)向碳納米管或柵極全面FET（gate-all-around FET）技術(shù)。“

金屬柵極改善與多重耗盡相關(guān)的電容和驅(qū)動電流的改善。 來源：Intel / MIT

Dhulla提供了一個已經(jīng)成功使用的dis-integration的例子。 “當你需要很多串行/解串器時，你可以選擇使ASIC具有邏輯，并且可以將串行/解串器作為脫芯的小芯片。 SerDes確實消耗了相當大的功率，因此您可以通過分散集成創(chuàng)建更多的電源管理解決方案。“

這就是為什么高級封裝最近取得了突破。 “新的封裝能力能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)結(jié)構(gòu)，從而為射頻/模擬，存儲器和高性能數(shù)字組件提供更好的隔離和有針對性的處理，這也可以引入新的電源和能源管理方法，”Aitken補充說。 “采用這種方法仍然存在成本和復雜性障礙，但我們預計隨著時間的推移這種方法會變得更加容易。”

摩爾定律為物聯(lián)網(wǎng)開辟了道路

盡管可能會為最先進的工藝節(jié)點構(gòu)建問題，但其他市場剛剛開始走向SoC。 Certus公司的費爾班克斯說：“在先進的工藝節(jié)點上，存在分散集成問題，但在40納米和65納米稍大的節(jié)點處，集成了先前在180納米處集成的功能。” “每個人都在試圖找到功能，成本，功耗和性能之間的平衡點。”

芯片鑄造廠（既芯片代工廠）正在回應。 “代工廠正在改造55nm和40nm工藝節(jié)點，并為邏輯庫提供厚氧化層器件，以提供低得多的泄漏電流，”Nandra說。 “他們正在添加嵌入式閃存。新的40nm工藝可能具有集成嵌入式閃存的泄漏庫非常低，這兩者都是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所需的技術(shù)。他們也希望在MEMs設(shè)備中進行封裝。其中許多是低速應用，需要延長電池壽命。“

“臺積電剛剛發(fā)布了一款采用BCD技術(shù)的65納米處理器，”Fairbanks補充道。 “GlobalFoundries也是這樣做的。他們正在將更多的高電壓功能與舊數(shù)字電路集成在一起。 180nm是今天的流行的工藝節(jié)點，因為您可以將許多高電壓和雙極技術(shù)與180nm數(shù)字集成在一起。我預計公司會希望整合稍好于180納米的數(shù)字工藝，所以我們看到了對65納米的需求推動。“

邊緣計算平臺。 來源：NTT

就像其他部分一樣，內(nèi)容也會增長。 “我們希望在邊緣和枝葉設(shè)備上看到越來越多的功能和復雜性，”Aitken說。 “這將允許進行更多的本地化處理，以便減少延遲和對帶寬的要求，而不是全面云端方法。”

但這并不意味著他們停止關(guān)心面積。 “我們看到的一個因素，尤其是在更成熟的節(jié)點上，是用于物聯(lián)網(wǎng)組件的精心設(shè)計的芯片，”西門子公司Mentor的Caliber DRC應用市場總監(jiān)John Ferguson說。 “最終，他們不需要大量復雜的模具，而是可以專注于非常小的模具以達到特定的目標。”

Nandra提供了一個尋找更精簡的物聯(lián)網(wǎng)IP示例。 “我們必須重新設(shè)計我們的USB 2 IP，以便為40ULP IoT設(shè)備消耗更少的面積。為了達到更小的面積和更低的功耗，在某些功能中存在權(quán)衡。某些功能已被刪除，其他功能（如電池充電）已添加。代工廠不僅改造了他們的超摩爾技術(shù)，而且IP供應商不得不重新考慮一些架構(gòu)，以將面積和功率數(shù)量納入這些市場的有用范圍。他們?nèi)匀恍枰猆SB 2，但他們不需要480MB / s。他們關(guān)心他們需要的數(shù)據(jù)速度的最佳功率和面積。“

他們也在更密切地審查知識產(chǎn)權(quán)（IP）。 Ferguson說：“仍然需要一個好的，值得信賴的IP。 “主要的區(qū)別在于，以前可能有一部分IP可用于各種SoC，現(xiàn)在它可能更具有功能性。”

工具也可以幫助刪除浪費的邏輯。 “較少的晶體管和開關(guān)節(jié)點直接轉(zhuǎn)化為較低的平均功率和動態(tài)功耗，并降低了峰值電流，”Baum首席執(zhí)行官Andy Ladd說。 “當采取這種方法時，理解和分析功耗的方法至關(guān)重要。否則，設(shè)計師無法理解其功能和功耗之間的權(quán)衡是否符合項目目標。 EDA社區(qū)需要提供技術(shù)，以在設(shè)計周期的早期實際場景下精確分析功耗。此外，IP提供商必須提供IP塊的功率模型，這些模塊被用作基于SoC的設(shè)計的基礎(chǔ)，以便設(shè)計人員可以使用不同的IP配置進行即插即用，從而優(yōu)化功耗與功能。“

創(chuàng)建具有代表性的場景是即將批準的便攜式刺激標準的目標之一。 “過去，系統(tǒng)級測試必須由人工創(chuàng)建，并涉及編寫能夠在設(shè)計中的處理器上運行的代碼，”Breker Verification Systems首席執(zhí)行官Adnan Hamid說。 “這是困難的，耗時的，并且對當今設(shè)備支持的復雜用例的覆蓋率非常低。通過便攜式刺激，可以快速方便地創(chuàng)建具有代表性的場景，從而能夠評估IP選擇和功率優(yōu)化策略。“

有人問，是否分散集成也可能是物聯(lián)網(wǎng)的有效選擇。 “使用XPoint，Optane，MRAM或ReRAM等下一代NVM技術(shù)，您無法在該技術(shù)中構(gòu)建邏輯，”Garibay說。 “因此，我將進行2.5D或3D堆疊，快速有效地獲取邏輯，并利用這些新技術(shù)。”

集成的問題

通過去集成，創(chuàng)造了一種新的集成挑戰(zhàn)。 Rambus的Dhulla指出：“在一個無法將所有東西都集成到一塊芯片的環(huán)境中，你必須在多個芯片上設(shè)計和分割整個功能，并且這些芯片如何相互連接在戰(zhàn)略上變得非常重要。” “在概念上，小芯片似乎是合乎邏輯和吸引人的。挑戰(zhàn)在于小芯片和ASIC之間的接口。廣泛采用小芯片的一大挑戰(zhàn)是具有成本競爭力的封裝。多家工廠需要解決這個問題并提供更好的封裝解決方案。“

Garibay說，這不是一個技術(shù)問題而更像一個商業(yè)模式問題。 “英特爾有優(yōu)勢，因為他們自己生產(chǎn)芯片的所有部分。當您從多家公司的芯片中創(chuàng)建2.5D或3D系統(tǒng)時，停止創(chuàng)新的事情就是找出死掉的多芯片系統(tǒng)的原因。尚未有一款能將兩種不同公司產(chǎn)品結(jié)合的產(chǎn)品投放市場。這是根本問題。沒有人可以同意，當你有一個可能會死亡的組合芯片，誰支付它？“

這種新的整合水平也創(chuàng)造了機會。費爾班克斯說：“雖然存在一些分散集成，但它們之間的I / O接口正變得高度專業(yè)化。 “如果你使用現(xiàn)成的標準I / O，你會做出犧牲。它可以優(yōu)化功耗或面積或適用于多種標準和功能。您嘗試添加到芯片中的功能越多，您在I / O中需要的功能就越多。我們看到的集成度越高，我們就越想優(yōu)化I / O，以實現(xiàn)諸如占用空間和功耗等事情。無論是更多的集成還是去集成，I / O專業(yè)化變得越來越重要。“

這就創(chuàng)造了自己的一系列問題和優(yōu)勢。 Fraunhofer自適應系統(tǒng)部門工程系統(tǒng)集成經(jīng)理Andy Heinig說：“新型封裝類型可以減少I / O引腳的必要空間。 “在層壓板上使用100μm銅柱的芯片可以在小面積內(nèi)實現(xiàn)大量I / O。而且，扇出技術(shù)只需很小的額外成本就可以增加I / O的面積。但是肯定的是，這種集成方法需要早期的芯片和封裝規(guī)劃，以及EDA工具的設(shè)計支持。我們與客戶的經(jīng)驗表明，在產(chǎn)品定義階段或不久之后，I / O發(fā)生最大可能的優(yōu)化潛力。如果在芯片已經(jīng)設(shè)計好的情況下完成，那么就沒有什么可以優(yōu)化的。“

封裝基礎(chǔ)設(shè)施變得越來越重要。 “歷史上，圍繞設(shè)計套件和EDA驗證的要求非常低，”Ferguson說。 “我們現(xiàn)在開始看到這方面的重大變化，甚至OSAT也加入了確保整個生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計完整性的概念。”

另一個需要解決的問題是缺乏適用于芯片間通信的通信協(xié)議。 “HBM2今天是默認的，”加里拜說。 “英特爾/ Altera Stratix 10使用HBM2作為客戶可接受的端口，同時還定義了兩種專門針對數(shù)據(jù)移動優(yōu)化的協(xié)議。我認為在2.5D和3D領(lǐng)域中存在可以實現(xiàn)芯片的互操作性的IP差距。根據(jù)協(xié)議調(diào)整公司對于高針數(shù)3D是有用的。“

Edge，IoT增長的市場影響。 來源：思科系統(tǒng)

結(jié)論

我們還有很長的路要走，可以購買小芯片并將其集成到產(chǎn)品中，但墻上的文字已經(jīng)變得非常清晰。 Cadence的Wong為企業(yè)提供了一個戰(zhàn)略思考。

Wong說：“不要將整個復雜的SoC從一個工藝節(jié)點遷移到下一個工藝節(jié)點。 “分而治之。只遷移需要下一個進程節(jié)點提供的最高性能的設(shè)計部分。保留你花費了很多時間驗證的復雜功能IP，并繼續(xù)以小芯片的形式使用它。并利用2.5D內(nèi)插器等封裝。在移動到下一個節(jié)點之前最大化您的投資。“

芯片設(shè)計的經(jīng)濟性比技術(shù)可能性更重要。隨著新型工藝節(jié)點越來越昂貴，封裝技術(shù)開始看起來更具成本效益 - 而且價格可能會大幅下降。而今天沒有看到這一點的公司可能會在明天落后。