在40-nm 工藝節點實現世界上最先進的定制邏輯器件

引言
Altera于2008年第二季度推出Stratix® IV和HardCopy® IV器件系列標志著世界上首款40-nm FPGA和業界唯一40-nm ASIC 無風險移植途徑的誕生。Altera 通過三年周密的規劃和開發，并與代工線合作伙伴臺積電(TSMC) 協作，最終獲得成功，交付定制邏輯器件展示了無可爭議的產品領先優勢。Altera 隨后于2009 年第一季度發布Arria® II GX 和Stratix IV GT FPGA 系列，實現了業界最全面的收發器系列產品。表1 所示為Altera 開發世界上首款40-nm FPGA 的歷史過程。
40-nm 工藝節點非常重要，它為Altera 在性能最好、密度最大、功耗最低、性價比最高FPGA 和HardCopyASIC 上保持領先優勢打下了堅實的基礎。
40-nm 工藝技術的重要性
40-nm 工藝要比以前包括65-nm 節點和最近的45-nm 節點在內的工藝技術有明顯優勢。最引人注目的優勢之一是其更高的集成度，半導體生產商可以在更小的物理空間中實現更強的功能。國際電子器件大會(IEDM) 報告了密度提高所得到的實際結果，主要的半導體生產商展示了他們在工藝技術上努力的結果。
對SRAM 單元大小進行了基準測試，表2 列出了上次IEDM 大會報道的最近工藝節點的SRAM 單元大小(以45-nm 工藝單元大小遞增的順序列出)。如表中所示，工藝技術的提高使半導體生產商能夠在更小的面積上實現更強的功能。
注釋：
(1) 來源：Real World Technologies, “Process Technology Advancements at IEDM 2007”
(2) 僅列出了報道65-nm 或者45-nm SRAM 單元大小的公司/ 組織
(3) nr = 沒有報道
表1. Altera 40-nm 器件的開發過程
日期里程碑
2005 年第一季度Altera 啟動40-nm FPGA 和HardCopy ASIC 系列開發，在40-nm 工藝上開始與TSMC 合作。
2005 年第四季度Altera 的第一組9 種40-nm 器件測試芯片投片
2006 年第二季度測試芯片結構評估
2007 年第四季度TSMC 發布產品級45-nm 工藝，加強與Altera 的合作。
2008 年第一季度TSMC 發布40-nm 工藝
2008 年第二季度Altera 發布世界上首款40-nm FPGA， Stratix IV 器件系列和首款40-nm HardCopy IV ASIC。
2009 年第一季度Altera 發布最全面的收發器系列產品，包括Arria II GX 和Stratix IV GT FPGA。
表2. 65-nm 和45-nm 工藝節點報道的最小SRAM 單元 (1)

在40-nm 工藝節點實現世界上最先進的定制邏輯器件Altera 公司
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40-nm 工藝還具有明顯的性能優勢。40 nm晶體管邏輯門長度比65 nm 邏輯門長度短38.5％，比45-nm 工藝邏
輯門長度短11％。相應的低阻抗提高了40 nm 的驅動能力，意味著性能更好的晶體管。
Altera 使用應變硅技術進一步提高了性能。例如， Altera 器件利用了NMOS 晶體管保護層的拉伸應變以及
PMOS 晶體管源極和漏極攙雜硅鍺的壓縮應變( 參見圖1)。這些應變硅技術將電子和空穴的移動能力提高了
30％，使晶體管性能提高了近40％。

圖1. 40 nm 應變硅技術實現了性能更好的晶體管
密度和性能的提高意義非常大，而當今系統開發人員面臨的最大設計問題之一是功耗。40-nm 節點在這方面也有一定的優勢，更小的工藝尺寸減小了產生動態功耗的雜散電容。特別是， TSMC 的40-nm 工藝技術比45-nm 工藝技術有功功率降低了15％。
然而，如果不采取措施，工藝尺寸的減小會增大待機功耗。為解決這些問題以及其他越來越多的功耗問題，Altera 采取了積極的措施來降低40-nm 器件的有功功耗和待機功耗。
結合領先的工藝和器件體系結構滿足關鍵的系統設計需求過渡到40-nm 節點實現了摩爾定律預言的密度和性能優勢。利用這些工藝優勢并結合器件體系結構創新，Altera 繼續為業界提供密度最大、性能最好的定制邏輯器件。由此， Altera® Stratix IV FPGA 和HardCopy IVASIC 分別能夠提供650K邏輯單元(LE) 和13M ASIC 邏輯門。在性能方面，Altera 40-nm器件系列邏輯性能達到了600-MHz，收發器性能高達8.5 Gbps，同時， 1.6 Gbps 的LVDS I/O 和1066 Mbps 的單端I/O 性能都是業界最好的，所有這些都不以犧牲信號完整性為代價。
除了最高的密度和最好的性能， Altera 還致力于實現最低的功耗。當今小外形緊湊封裝、便攜性以及功效的發展趨勢推動了對低功耗的需求。產品系統外形非常薄，體積非常小，限制了空氣對流、熱沉以及其他的散熱管理解決方案。此外，很多應用首先考慮的問題是功率元件的工作成本，這促使低功耗成為最明顯的競爭優勢，是很多應用中必須要考慮的問題。設計目標在這方面的變化使得功耗成為選擇系統元件時首先要考慮的標準。
FPGA 供應商的器件在功能越來越強的電路板上發揮的作用也越來越大，在很多情況下要實現系統核心功能，器件功耗管理的難度也隨之增大。需要很大的投入才能在提高性能和降低功耗上達到平衡。