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      片上系統(tǒng)及其光刻技術(shù)變革

      2011-02-17 05:10:39崔圓圓北京郵電大學(xué)電子信息工程專業(yè)北京100876
      中國科技信息 2011年17期
      關(guān)鍵詞:光刻集成電路芯片

      崔圓圓 北京郵電大學(xué) 電子信息工程專業(yè), 北京 100876

      片上系統(tǒng)及其光刻技術(shù)變革

      崔圓圓 北京郵電大學(xué) 電子信息工程專業(yè), 北京 100876

      集成電路的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入片上系統(tǒng)(SOC)時(shí)代。本文系統(tǒng)地分析了集成電路的發(fā)展路徑,著重講述IP核及其重用技術(shù)。相應(yīng)于集成電路的發(fā)展,芯片制造的光刻技術(shù)也發(fā)生了重大的變革,加工精度日益提高。

      片上系統(tǒng);IP重用;光刻技術(shù)

      1.集成電路的跨越

      從最早的集成電路,到中規(guī)模集成電路(MSI),再到大規(guī)模集成電路(LSI),乃至超大規(guī)模集成電路(VLSI),后者集成的晶體管數(shù)目,已經(jīng)達(dá)到100,000,促進(jìn)了PC的廣泛應(yīng)用而帶來信息產(chǎn)業(yè)的第一次革命。而這些都是陳舊的知識(shí)了,著名的摩爾定律已經(jīng)把我們送入了特大規(guī)模集成電路(ULSI)的時(shí)代。在一日千里的集成度發(fā)展,離不開日益精細(xì)的半導(dǎo)體器件加工。

      伴隨著制造工藝的不斷推進(jìn),IC芯片設(shè)計(jì)者將越來越復(fù)雜的功能集成在單一的芯片上,集成電路(IC)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧上到y(tǒng)(IS),實(shí)現(xiàn)了整體功能的跨越。

      2.認(rèn)識(shí)SOC

      2.1 SOC是什么

      集成電路加工工藝的飛速發(fā)展,為芯片的性能擴(kuò)展了無限可能。面對(duì)數(shù)量過億的晶體管,如何把它們發(fā)揮到極致,做到“更小、更快、更省電”,是設(shè)計(jì)師們面臨的主要問題。另一方面,數(shù)目龐大的芯片也增加了設(shè)計(jì)難度,畢竟不能每次都從頭開始。正如軟件領(lǐng)域面向?qū)ο蠹夹g(shù)(OOT)的產(chǎn)生一樣,在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域也迫切需要可以能實(shí)現(xiàn)一定功能的具有封裝的模塊,縮短開發(fā)周期,降低工作量,集中精力于創(chuàng)新的部分而不是重復(fù)的工作,以在最短的時(shí)間內(nèi)推出新產(chǎn)品。

      單片系統(tǒng)就是在這樣的技術(shù)背景和要求下被提出來的。單片系統(tǒng)又稱為系統(tǒng)級(jí)芯片SOC(System On Chip)。前一個(gè)名稱強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)是在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn),即系統(tǒng)的集成方式。后一個(gè)名稱強(qiáng)調(diào)電路的能力,即在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)具有復(fù)雜功能的系統(tǒng)。SOC在單一硅芯片上實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理和I/O等功能,實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的功能。它在ASIC(專用集成電路)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來,卻與ASIC完全不同,具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。SOC實(shí)現(xiàn)的一個(gè)系統(tǒng)的功能,速度快、集成度高、功耗低。同時(shí),由于多種功能的集成,整機(jī)成本和體積都大大降低,加快了整機(jī)系統(tǒng)更新?lián)Q代的速度。它的這些優(yōu)點(diǎn)正好順應(yīng)了通信、電腦、消費(fèi)電子產(chǎn)品向輕、薄、短和低功耗發(fā)展的方向,對(duì)于移動(dòng)通信、掌上電腦和多媒體產(chǎn)品的生產(chǎn)廠商有非常大的吸引力,市場(chǎng)需求自然就很大。SOC的發(fā)展正帶動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)的第二次革命。美國、日本和歐洲許多國家的各大半導(dǎo)體公司紛紛加大對(duì)SOC生產(chǎn)線的投資力度,建立新的SOC生產(chǎn)線。

      2.2 IP重用

      前面已經(jīng)提到過,SOC的善于利用已有的開發(fā)成果以減少重復(fù)性的工作,專注創(chuàng)新。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的就是SOC的關(guān)鍵技術(shù)之一,IP核及其復(fù)用技術(shù)。

      2.2.1 IP核的定義

      為了加快SOC的芯片設(shè)計(jì),提高SOC的設(shè)計(jì)效率和可靠性,人們把經(jīng)過驗(yàn)證的IC電路以模塊的形式加入SOC芯片的設(shè)計(jì),從而簡化整個(gè)設(shè)計(jì)過程,縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。這些已驗(yàn)證的可重復(fù)使用的IC模塊就成為IP(Intellectual Property,知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊,有別于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的IP,后者為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的簡稱)。IP也稱為系統(tǒng)宏單元、虛擬部件(VC)或芯核,這種設(shè)計(jì)方法就稱為基于IP模塊的SOC設(shè)計(jì),或基于核的SOC設(shè)計(jì)。

      早在上個(gè)世紀(jì),IP核技術(shù)就已經(jīng)開始起步了。1994年Motorola發(fā)布的Flex Core系統(tǒng)(用來制作基于68000和PowerPC的定制微處理器)和1995年LSI Logic公司為Sony公司設(shè)計(jì)的SOC,可能是基于IP核完成SOC設(shè)計(jì)的最早報(bào)導(dǎo)。進(jìn)入20世紀(jì)后,這一技術(shù)開始飛速發(fā)展。

      2.2.2 IP核的特征

      1)可讀性

      這一點(diǎn)對(duì)軟核與固核尤為重要。適用方一般不對(duì)硬核作進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化,都是直接使用。而對(duì)于軟核與固核,使用者需要對(duì)IP核進(jìn)行進(jìn)一步的綜合或模擬。因此,必須對(duì)調(diào)用的IP核的功能、算法等有比較詳細(xì)的了解,以便正確使用和充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。一方面,IP核的提供者要采取恰當(dāng)?shù)姆椒枋鲈O(shè)計(jì),增強(qiáng)可讀性;另一方面要采取必要的措施保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

      2)設(shè)計(jì)的衍展性和工藝適應(yīng)性

      IP核在定型后,必須具有一定的應(yīng)用范圍,即能適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)應(yīng)用。當(dāng)它被移植到其他的領(lǐng)域時(shí),不經(jīng)過重大的修改就能發(fā)揮功用。另一方面,采用新工藝時(shí),IP核也能也微小的改動(dòng)適應(yīng)它。

      3)可測(cè)性

      在移植時(shí),對(duì)IP核功能和性能的測(cè)試是必不可少的。不僅能對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試,還要在它的應(yīng)用環(huán)境中整體測(cè)試,考察IP核于整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。

      4)端口定義標(biāo)準(zhǔn)化

      由于使用IP核的第三方并不唯一,其對(duì)端口的設(shè)計(jì)必須有一個(gè)嚴(yán)格的定義,包括:端口信號(hào)的邏輯值、物理值、信號(hào)傳輸功率、傳輸機(jī)制等。已有一些機(jī)構(gòu)在制定開放的標(biāo)準(zhǔn)、IP核的功能評(píng)價(jià)和驗(yàn)證的方案等等,諸如虛擬插座聯(lián)盟(VSIA)和專用領(lǐng)域芯核開發(fā)協(xié)會(huì)(RASIPD)等等。

      2.2.3 IP重用的優(yōu)勢(shì)與設(shè)計(jì)流程

      通過基于核的設(shè)計(jì)方法,芯片的設(shè)計(jì)從以硬件為中心轉(zhuǎn)向以軟件為中心。芯片的設(shè)計(jì)不再是門級(jí)的設(shè)計(jì),而是在IP模塊和IP接口級(jí)的設(shè)計(jì)。IP模塊的重用,除了能縮短SOC芯片設(shè)計(jì)的時(shí)間外,還能降低設(shè)計(jì)和制造成本,提高可靠性,因此將會(huì)給IC產(chǎn)業(yè)和電子工業(yè)帶來可觀的商業(yè)利益。并引起IC產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革。可重用的IP模塊越多,設(shè)計(jì)過程的效率就越高。

      IP模塊是預(yù)先設(shè)計(jì)好的,并經(jīng)過了預(yù)先的驗(yàn)證,設(shè)計(jì)者可以把注意力集中于整個(gè)系統(tǒng),而不必考慮各個(gè)模塊的正確性和性能,從而簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì),縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

      3.光刻技術(shù)新進(jìn)展

      3.1 極紫外線光刻技術(shù)

      在深亞微米時(shí)代,芯片尺寸進(jìn)一步縮小,對(duì)傳統(tǒng)的光刻和蝕刻技術(shù)提出了很高的要求。傳統(tǒng)曝光光源在不斷改進(jìn),并利用波前工程(如移相掩膜、離軸照明移相光源、空間濾波、表面成像技術(shù)等)進(jìn)一步挖掘光學(xué)光刻系統(tǒng)的潛力,使IC技術(shù)提早進(jìn)入了千兆位和千兆赫時(shí)代。然而主流的光學(xué)光刻技術(shù)已接近0. 13um的極限。這是目前業(yè)界最精密的工藝,采用248nm的遠(yuǎn)紫外線。為了突破0.1um,必須采用157nm以下的極紫外線光刻技術(shù)EUVL。

      準(zhǔn)確地說,EUVL是光波波長為11~14nm的極端遠(yuǎn)紫外光波,經(jīng)過周期性多層薄膜反射鏡入射到反射掩膜上,再通過有多面反射鏡組成的縮小投影系統(tǒng),將反射掩膜上的集成電路幾何圖形投影成像到硅片上的光刻膠中,形成集成電路所需要的圖形。EUVL與157nm光學(xué)光刻的原理類似都是用短波波長光和反射投影成像,但是EUVL與光刻最大的區(qū)別是它的成像必須在真空中。因?yàn)槲镔|(zhì)在EUV波段表現(xiàn)出的性質(zhì)與在可見光和紫外光波段截然不同,EUV輻射被所有物質(zhì)包括氣體強(qiáng)烈吸收。但是,還是有很多要解決的關(guān)鍵技術(shù):

      1)極紫外光光源,主要有同步輻射和激光等離子體兩種;

      2)新的透鏡材料和超精密光學(xué)元件加工技術(shù);

      3)更高的數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng);

      4)解決移相和光學(xué)臨近效應(yīng)矯正等波前工程技術(shù);

      3.2 電子束光刻

      電子束光刻技術(shù)具有極高的分辨率,其直寫式曝光系統(tǒng)甚至可以達(dá)到及格納米的加工精度,但效率低就成為了一個(gè)致命的缺點(diǎn)。一些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將光學(xué)分步重復(fù)投影的高效率與電子束的高分辨率結(jié)合起來,以解決這一問題。

      3.3 X射線光刻

      X射線光刻技術(shù)是以同步輻射環(huán)產(chǎn)生的X射線作為曝光光源的接近式曝光系統(tǒng)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是:

      1)焦深大,光刻圖形側(cè)壁陡直;

      2)無需成本昂貴的光學(xué)投影系統(tǒng);

      3)無散射地產(chǎn)生曝光圖形;

      4)對(duì)掩膜上的缺陷不敏感;

      5)不存在顯著影響分辨率的物理效應(yīng)。

      [1]周端,王國平,顧新.片上系統(tǒng)的技術(shù)與發(fā)展[J].計(jì)算機(jī)工程.2002:28-9

      [2]邵洋,單睿,張鐵軍,侯朝煥.基于可配置處理器的SoC系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用.2006:42-26

      10.3969/j.issn.1001-8972.2011.17.008

      崔圓圓(1991— ),女,浙江杭州人,北京郵電大學(xué)電子信息工程專業(yè)。

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