工藝制程跑太快，電源芯片設(shè)計(jì)拖后腿？

    隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，市場(chǎng)對(duì)設(shè)備秏電量的要求也越來越嚴(yán)格。小至移動(dòng)裝置、大到資料中心，低秏電的要求已經(jīng)對(duì)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生龐大壓力。不僅既有的設(shè)計(jì)及架構(gòu)需重新考量，應(yīng)用的技術(shù)及驗(yàn)證方法需改變，甚至對(duì)結(jié)果的預(yù)期也需重新調(diào)整。即使如此，電力的問題還是如影隨形，無法輕易解決。

    據(jù)媒體報(bào)導(dǎo)，在過去，常面對(duì)的電源問題不外乎漏電流(current leakage)、電遷移(electromigration)、靜電放電(electrostatic discharge)、電阻電容延遲(RC delay)或設(shè)計(jì)不良而縮短電池壽命等。而這些問題均由大型且復(fù)雜的工程團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)處理。即使問題無法緩解，最后仍可要求制造廠調(diào)整制程解決。

    不過在55納米制程躍升為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備主流后，及芯片設(shè)計(jì)要求運(yùn)用多核心的趨勢(shì)下，待解決的電力范疇常高達(dá)數(shù)百項(xiàng)，設(shè)計(jì)工程師不得不提升電源技術(shù)復(fù)雜度因應(yīng)。

    同時(shí)，制造端也不似過往可輕易調(diào)整制程解決電源問題。為此，晶圓廠已嘗試運(yùn)用包括減少導(dǎo)線間閘極氧化層(Gate Oxide)，或在16及14納米制程增加動(dòng)態(tài)電力密度，甚至采用更大型、更昂貴的次世代制程因應(yīng)越趨復(fù)雜的設(shè)計(jì)，以解決秏電問題。

    據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖(ITRS Roadmap)估測(cè)，當(dāng)制程從45納米降至10納米，芯片效能將提升1.3倍，而耗電將減少4.5倍，電晶體的數(shù)量也能增加1倍。不過，這樣的推估顯然過于樂觀。欲解決電力與效能問題，各個(gè)方面均需做出調(diào)整。

    電力與效能是一體二面。在過去，效能達(dá)標(biāo)后電力設(shè)計(jì)即使不符要求，最后問題總能解決。但自從智能型手機(jī)出現(xiàn)，情況開始改觀。一般來說，電力設(shè)計(jì)需考量四項(xiàng)重點(diǎn)，包括密度(熱平衡)、輸送(尖峰管理)、漏電(閑置耗電)及壽命(可靠性)等，而調(diào)整設(shè)計(jì)架構(gòu)(Architecture)效果較為顯著。

    舉例來說，在思考架構(gòu)時(shí)就需將電源納入考量，并與后續(xù)設(shè)計(jì)做整合。同時(shí)，設(shè)計(jì)端也需對(duì)應(yīng)架構(gòu)的變化據(jù)以調(diào)整并降低秏電。 此外，設(shè)計(jì)上也可采用近臨界(Near-Threshold)或次臨界(Sub-Threshold)技術(shù)協(xié)助。近臨界或次臨界技術(shù)是除了考量新封裝方式、采用新型態(tài)存儲(chǔ)器或客制芯片外，業(yè)界尋求解決秏電問題的方法之一。不過，這些方法大多仍在研發(fā)階段，實(shí)際幫助有限。 安謀(ARM)指出，在65~130納米制程中，僅需考慮大約10項(xiàng)關(guān)于制程、電壓和溫度(Process, Voltage and Temperature；PVT)的制程臨界參數(shù)(Corner)。但到了16或14納米，PVT參數(shù)增至50項(xiàng)以上，大幅提升設(shè)計(jì)難度。再加上高達(dá)上百項(xiàng)的電源管控項(xiàng)目，傳統(tǒng)驗(yàn)證工具及方法均不足以因應(yīng)。

    明導(dǎo)國際(Mentor Graphics)高層指出，面對(duì)復(fù)雜的電源問題，需要新的工具協(xié)助工程師在設(shè)計(jì)系統(tǒng)單芯片(SoC)時(shí)即將電源納入考量。好消息是，這些工具正在逐步改進(jìn)，變得更有彈性。

    電源問題已經(jīng)快速成為芯片設(shè)計(jì)時(shí)最棘手的問題之一。隨著制程不斷精進(jìn)及更多元件的采用，電源問題只會(huì)變得更多、更繁雜且更需秏時(shí)解決。若無法適當(dāng)因應(yīng)，不僅開發(fā)時(shí)程將拉長，驗(yàn)證無法落實(shí)，甚至產(chǎn)品可靠性都將受質(zhì)疑，影響巨大。<