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转:混合信号电路设计进入28nm“分界区”  

2012-07-06 14:36:20|  分类: IC design |  标签: |举报 |字号 订阅

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Berkeley设计自动化(BDA)公司CEO Ravi Subramanian(见图1)在主题演讲中阐述了混合信号电路特征在纳米技术时代的挑战。他指出,混合信号电路设计进入了28nm“分界区(Twilight Zone)”,7点理由如下: 

图1 Berkeley设计自动化公司CEO Ravi Subramanian

  1.随着工艺节点的发展,器件建模愈加复杂。90年代初的BSIM3(加州大学伯克利分校仿真晶体管模型)只有一些基本模型,后来的BSIM4增加了RF模型(包括基板阻抗和热噪声)、广泛的与布局布线相关的寄生参数模型、栅致漏极漏电(GIDL,gate-induced drain leakage)和栅极介电隧道电流等。此外,模型还增加了Verilog-A,及其他无源器件、二极管、受控源器件等基本元件。BSIM4.7模型的出现进一步证明了建模的复杂度。 

  Subramanian解释道,当提高晶体管内部的精度时,等效电路方程会相应增加。例如,若每个MOS管内增加3个节点,等效电路方程增加11倍,这意味着仿真时每个晶体管的计算增加了11倍可以想见,对于100个晶体管,仿真时间可能从1小时增加到11小时。 

  2.对于后布局仿真,寄生效应引起的巨大破坏性在增长。其表现为,一项简单的设计中,数据库容量要增加10-20%,甚至高达3-4倍。 

  3.在纳米CMOS工艺时代,器件噪声从以前的三阶、甚至四阶效应,已发展成为目前的一阶效应,严重影响了电路性能的提升。为此,要保证电路性能不降低,需在功耗或占位面积方面进行折中设计。

  4.从最佳器件模型到最差器件模型,及过温和过压状态下,电路性能的变化,即corner spread问题。它会随着芯片工艺尺寸的减小而增加。 

例如,在通常的锁相环VCO设计中,若晶体管采用65nm制造工艺,从慢corner spread曲线(慢晶体管性能)到快corner spread曲线,某个给定信号的运行变化范围是1.5倍;而对于22nm工艺,从慢corner spread曲线到快corner spread曲线,某个给定信号的变化范围将达2.5倍。因此,设计中需要容纳这样的变化率,以满足设计规范。 

  为解决corner spread问题,要通过严格的设计规范进行控制。用低阈值电压器件缓解corner性能的较大变化,但由此带来的最大缺点是漏电流增大。高阈值电压器件可解决漏电流问题,但只适于数字电路。这两点要做到均衡很不容易。90nm到45nm,45nm到28nm的IP重用也很困难。 

  5.低压混合信号设计能实现低功耗,需大胆标定芯核电压,I/O供电较为可取。在设计中,对于输出级,稳压器要从NMOS转成PMOS,用附加电路解决输出匹配和电源噪声问题。I/O电路的新发射极架构包括电压模式驱动、混合电压模式和电流模式,但电压模式下,数据率会降低,抖动将增大。 

  6.28nm时代的设计规则也更加复杂,就连一向受业界景仰的模拟设计师也不太容易熟练地驾驭。设计布局要认真考虑,器件类型和尺寸都有更严格的限制。 

  7.目前,复杂的模拟电路和数字电路将同时在新纳米工艺节点上出现。28nm工艺的ASSP大批量生产中,混合信号电路的良率会出现主要瓶颈。要保证高设计良率(DFY),需要知晓制造和可靠性方面的工艺特性。例如,电迁移;HCI(MOS器件的热载流子注入)、PMOS器件的NBTI(负偏压温度不稳定性)效应;NMOS器件的PBTI(正偏压温度不稳定性)效应。 

  同时,要注意两种失配对设计良率的影响。来自制造变量的器件局部变化所引起的统计失配,及来自布局的系统性失配。前一种失配需要先进的Monte-Carlo仿真,而后者需要新的布局方法。 

  28nm与40nm的特征要求比较,28nm与65nm的DAC SFDR(无寄生动态范围)分别如图2和图3所示。 

转:混合信号电路设计进入28nm“分界区” - dreamtower - 見るところ花にあらずと云ふことなし 


图2 28nm与40nm的特征要求比较(红色字为28nm特征,分别比40nm提高20和10倍)
图3 28nm与65nm的DAC SFDR(17MHz时,红色字为28nm的SFDR值)

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