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作者：Alicon 近期, Xilinx和Altera分別在公司召開了28nm工藝新器件發布會。與技術研究該有的嚴謹不同，對技術成果的展示可以生動活潑。生動活潑之中兩家含沙射影的“攻擊”讓人感嘆。 正如她們的發布會禮品都選擇Sennheiser一樣，她們的28nm工藝都選擇了TSMC(臺積電)。工藝提高意味著更大的集成度，更低的成本和更好的性能。所以，對工藝的宣傳絕對是FPGA廠商的策略之一。在40nm工藝及以前，Xilinx選擇的是UMC(臺聯電)，隨著摩爾定律的深入，UMC漸漸跟不上腳步，Xilinx向Altera的老搭檔敞開了懷抱。FPGA就是為“差異化”而生的，所以FPGA廠商在宣傳時自然不會忘記“差異化”。但是，同一供應商的同一工藝節點，她們如何在宣傳上“差異化”呢？ Xilinx: 傳統的 FPGA 工藝技術在 28nm 工藝上已經達到了功耗極限，因此也達到了性能極限。問題的根源在于幾十年來用于構建 IC 晶體管的多晶/氮氧化硅。為了提高晶體管的速度，半導體工程師一直在隨著工藝技術的提高努力減小門介電層的厚度。不過，由于介電層的隧道效應和門本身的漏電流，電介質厚度的減少會導致漏電流增加，這就造成工藝技術每次節點進步都會大幅提升靜態功耗。 賽靈思以創新型的三重門極氧化層電路技術成功控制隧道電流效果，從 90nm 工藝到40nm 工藝節點一直都比較成功。不過，就 28nm 工藝而言，門極氧化層太薄了，必須用最新門材料和架構來處理隧道效果。為了控制門下的漏電流 (亞閾值泄漏)，賽靈思工程師在整體晶體管設計過程中進行了審慎權衡。 為了解決28nm工藝問題，賽靈思采用了二氧化鉿這種新型門介電材料，該材料的介電常數 (κ) 較高，可增減門極厚度，這就使晶體管不太容易受到隧道電流效應的影響。 舉例來說，40nm 工藝使用的二氧化硅 κ 值為 3.9，而 28nm 金屬閘技術所用的二氧化鉿 κ 值則為 25，這就成為高性能低功耗 28nm 工藝技術的最佳選擇 (參見圖1)。 
賽靈思評估了多種 28nm 工藝技術，其中包括標準的低功耗 (LP) 和高性能 (HP) 工藝，最后決定采用 28nm HKMG 高性能低功耗工藝技術。 28nm 低功耗工藝是多晶/氮氧化硅 40nm 技術的簡單升級，風險較低。不幸的是，該技術不適用于 FPGA，因為其晶體管切換速度太慢，性能不夠高。與此形成對比的是，28nm 高性能技術專為實現高性能而優化，但又會造成功耗過高，也限制了可用性能 (參見圖2)。
28nm 高性能(HP)工藝技術還需要將 HKMG 與 SiGe 應變技術相結合。兩種高級技術在制造工藝中相結合，相對于采用 HKMG 和應力襯墊應變技術的更為簡單的高性能低功耗 28nm 工藝技術而言會存在更多風險。 除了與業界領先公司 UMC 開展 40nm 工藝技術合作之外，賽靈思對多種工藝進行廣泛評估之后，現在還與業界兩大領先的芯片代工廠臺積電和三星電子開展 28nm 工藝合作。臺積電和三星電子最能滿足賽靈思的新一代 FPGA 產品需求。這兩家代工廠的技術都為性能和功率效率進行了平衡優化，可滿足確切的產品要求。賽靈思的 28nm 技術與其業經驗證的多代工廠戰略一致，從而可以加速產品上市進程，保持技術領先地位，同時還能通過不同地理位置的合作減輕供應風險。 Altera: 過渡到小工藝尺寸總是能夠提高集成度，性能優于以前的節點，28nm也不例外。28nm工藝具有明顯的性能優勢，但是，要充分發揮這些優勢，需要為28nm工藝創造合適的環境。Altera選擇TSMC 28HP高K金屬柵極(HKMG)工藝，借助與TSMC的長期合作，優化Stratix V FPGA低功耗工藝。 不僅引入HKMG實現了28nm優異的性能，而且還采用了第二代高級應變技術加速了電路設計，包括晶體管源漏區的嵌入硅鍺(SiGe)等技術。Altera通過覆蓋層在NMOS晶體管產生拉伸應變，通過源極和漏極的嵌入硅鍺在PMOS晶體管產生壓縮應變。這些應變硅技術使電子和空穴的移動能力提高了近30%，晶體管性能增強了40%以上。通過應變硅技術在同樣泄露的條件下獲得了更好的性能，因此，性能的提高抵消了泄露的影響，與沒有采用應變硅的工藝相比，提高了工藝性能減少了泄露。其他28nm工藝技術還沒有同時結合HKMG和高級應變技術來提高性能。
應該說，Xilinx轉向Altera的老搭檔看上去頗有幾分無奈。可能是Xilinx也沒有十二分的把握，所以他選擇了SAMSUNG和TSMC兩家foundry。塞翁失馬，焉知非福，在全世界都籠罩在日本地震中的今天來看，Xilinx的這句“通過不同地理位置的合作減輕供應風險”真是歪打正著。 另外，Altera的“應變硅鍺技術”看上去應該不是“使電子和空穴的移動能力提高了近30%”，而是改變了PMOS和NMOS的溝道長度。在發布會上Altera說這是Altera和TSMC長期合作的益處，是產權屬于Altera的專利技術。從Xilinx的表述中看來，是Xilinx覺得這種技術風險高所以沒有采用,如果真是Altera的專利技術而且很關鍵，那估計Xilinx是不會主動提及的。我后來在Altera的官方文檔中一直沒有找到這樣的說法。 |
