成功流片的可靠途径

文章摘要：成功流片的可靠途径 Altera 亚太区市场经理Louie Leung ASIC设计风险就在几年前，开发IC几乎是很普遍的工作。逻辑设计者将逻辑实现提供给后端团队进行布局布线，送厂下单（Tape-out）几乎是自动的，基本上都能保证第一或第二轮投片成功。在此期间，ASIC库可以相对简单的一步一步地移植，这样有助于构造自身完整的设计。根据摩尔定律，硅工艺的发展是必然的，因为其在成本（更小的裸片面积）、逻辑集成度、性能和功耗上具有天然的优势。因为半导体业界已经进入深亚微米时代如0.13 m和更低的CMOS工艺，专家们发现这是对传统物理学的挑战。特征尺寸比可见光的波长更小。为了处理新的波长，光

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成功流片的可靠途径 Altera 亚太区市场经理　Louie Leung

ASIC设计风险

就在几年前，开发IC几乎是很普遍的工作。逻辑设计者将逻辑实现提供给后端团队进行布局布线，送厂下单（Tape-out）几乎是自动的，基本上都能保证第一或第二轮投片成功。在此期间，ASIC库可以相对简单的一步一步地移植，这样有助于构造自身完整的设计。根据摩尔定律，硅工艺的发展是必然的，因为其在成本（更小的裸片面积）、逻辑集成度、性能和功耗上具有天然的优势。

因为半导体业界已经进入深亚微米时代如0.13 m和更低的CMOS工艺，专家们发现这是对传统物理学的挑战。特征尺寸比可见光的波长更小。为了处理新的波长，光掩膜的成本大大增加。另一个增加很大的部分是设计和验证成本。主要原因很简单――逻辑容量增长很快。开发代码（HDL）需要更多的时间――特征尺寸减半，三极管的数量翻两番。代码的复杂度和逻辑尺寸有着直接的联系。因为验证和逻辑容量呈指数关系，因此其成本尤其在90nm点上核心性能接近300MHz的情况下也呈爆炸性增加。即使采用0.13和以下工艺点上最新的结构化ASIC技术，单次ASIC制造的成本也在数十万美元范围。

更快的性能、更快的投片时间、并行软件开发、避免昂贵的ASIC重制造和测试市场的快速现场试验都极大地推动了对使用FPGA进行细致的原型设计的需求。

ASIC和FPGA技术权衡

FPGA比ASIC的面市时间更短。它是标准的现成产品，具有灵活的逻辑结构和互连，实现指定的一组逻辑。这种方式下，经配置后就是一个ASIC，采用了ASIC类型的设计过程。因为FPGA设计需要非常少的验证， FPGA的设计周期可以缩短很多。这也是现在更多的工程师即使在成品阶段也使用FPGA的原因。因为标准产品能更好地响应市场需求的变化，减小了ASIC所带来的投资风险。

在FPGA中，硬IP核如处理器或嵌入式存储器，采用了和ASIC实现的类似技术，因此具有可比的性能。因为FPGA的可编程性增加了延迟，所以ASIC必然在互连上胜FPGA一筹。由于这个原因，ASIC产品的功率更低。
若不是ASIC设计受I/O限制，ASIC比FPGA有更低的可变成本。另一方面，FPGA缩短了面市时间，有助于捕捉市场机会。推迟面市意味着销售额减少。这使得最新一代的FPGA在中小批量产品上是ASIC的一个替代方案。ASIC的隐性投资和延迟面市的成本通常不明显，亚太的一些客户也没有意识到这一点。不断缩短的产品寿命和终端市场的高度不确定性让客户不得不重新思考BOM成本。

在亚洲，绝大部分的OEM没有完整的ASIC团队，客户必须依赖ASIC设计公司或供应商提供ASIC设计服务。HDL代码开发完成后，客户的绝大部分时间是将设计交给厂商。这种方式的优势是他们不必投入巨大的人力资源和工具，缺点是他们无法对后端进行设计控制。综合至ASIC设计的布局部分成为深亚微米设计的一个关键的组成部分。没有完整的控制是设计完整性的一个致命弱点。

ASIC的主要构造单元是库标准单元。这是在芯片制造期间全定制的和定义的。这些单元是简单或复杂的逻辑功能。库也提供DFF或锁存器完成时序逻辑。在最新一代的FPGA如Altera的Stratix II系列中，基本单元是自适应逻辑模块（ALM）。任何FPGA的基本单元都是在片内预定义好的。时序逻辑可以在预构建的寄存器中实现。用户不必担心时钟方案。FPGA基本逻辑单元的驱动强度是固定的，因此FPGA中的逻辑实现对扇出更敏感。

最新一代的FPGA是在90nm点上。Altera的Stratix II是采用90nm，1.2V，9层金属和全铜工艺制造的，内核运行速度达到300MHz。它可和ASIC的灵活性相比拟。ALM可以用做单个高扇入的功能，或分解成2个具有不同输入数目的低扇入功能。总之，ALM具有高度灵活的查找表配置，专用乘法器逻辑和共享算术链（非常适合于算术功能），进位链，寄存器链和寄存器反馈（对复杂的时序逻辑）。 Stratix II容量一览，以及它为目标ASIC进行原型设计提供的优势，见图1。

ASIC中是通过例化一个由存储器编译器生成的存储模块来实现存储器。在诸如Stratix II等FPGA中，有嵌入存储块。实际上，Stratix II提供了TriMatrix存储方案，它有3种尺寸（512b、4Kbit和512Kbit）的存储块供用户选用。这允许在相对有限的环境下具有更多的灵活性，最大化有效存储器吞吐量，提升系统性能。Stratix II中的存储器和任何90nm点上实现的存储器一样快，高达300MHz。它们可以实现为真双口模式和移位寄存器模式。

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