对时机创新发展的需求

半导体行业已经开始探索一系列的时机的选择对提高性能和更多的功能的需求超过了设计芯片使用相同的技术能力和技术依靠几十年了。

像许多元素计算,时间是一个层次或堆栈。它包括人工智能计算从划分成多个部分,同时组装结果,确保不同的组件在一个先进的包装或印刷电路板或终端设备在适当的工作顺序。没有设备工作良好没有合适的时机,和一些不工作。计算的时间影响到方方面面,从能量和时间过程数据,这些结果的准确性。在复杂的芯片,时机甚至需要考虑不同组件之间的依赖关系在不同使用模型和压力。

时间不是一个新问题,但它肯定是变得更复杂。石英晶体振荡器可以追溯到1920年代,当他们被用来稳定无线电信号。他们几十年来一直在数字电路中使用。但近年来发生了很大的改变。曾经是PCB上的离散组件越来越捆绑在一起,形成异构SoC或高级包,通常包含多个权力rails,和针对特定领域,从移动设备到云上。

“关键基础设施市场5 g无线接入网络,数据中心,和光学网络,”James Wilson说,副总裁和总经理在Skyworks计时产品解决方案。他指出,需求增长,特别是基础设施市场,更高的性能,降低抖动,更综合计时的解决方案。

这将变得更加困难随着数据传输速度的增加,然而。光学和数据中心市场增加部署400 gbps, 800 gbps不远的地平线上,具有速度和t比特信息能力的发展。“网络升级到更高的带宽,硬件设计过渡到使用高速PHY /并行转换器技术,”威尔逊说。“举个例子,在过去的几年中,光学和数据中心从28 gbps phy 56 gbps, 112 gbps phy。”

除了这些更高的速度来高密度芯片,需要更严格的公差为我所做的一切。“高速网络推动了需要更多的高性能时间的解决方案,”他说。“现在最先进的应用程序需要最大的参考时钟抖动的不到70飞秒。”

尤其是先进的流程节点,空间就少了很多时间的波动。所以任何过程变异,这可能被忽视在28 nm,可以在5 nm目前的一个主要问题,哪里有可用缓冲幅度变化少得多。

“上升变化,变化呈指数级增长较低的电压,“莫费萨尔说,总裁兼首席执行官Movellus。“芯片上变异成为时间保证金,这成为f_马克斯,这可以追溯到V_最小值。这是一个恶性循环,你继续来回,直到你弄明白。一些利润取决于技术,依赖于功能和不同的模式。如果你有不同的P状态在多核处理器,例如,一半的核心在哪里,你想去暂时100%的利用率,然后你打开这些处理器核心和施加很多压力在供应网络。导致下垂,下垂,除非你做一些聪明的事情,最终吃到你的保证金,吃到你的V_最小值。”

一个快速变化的市场
继续设备减少和降低电力需求时间世界的一个巨大的挑战。“你想要同样的抖动,但更低的功率和尺寸小一点的在某些应用程序中,变得强硬,强硬的一天,”郭又说,瑞萨计时产品经理。

今天,市场是高度分散的时机。平衡每个部署需要不同的优先级。“找到合适的组合,产品复杂性和性能的甜蜜点,会议规模和成本目标在同一时间——现在是市场时机的挑战,”郭说。“你必须段的正确方式确保市场。”

这就解释了为什么瑞萨提供三个不同品牌的时机解决方案,旨在满足不同的性能和复杂度的目标。“甚至在一个应用程序的空间,如果你跟一个客户,客户的需求可能不同于另一个人的,因为它依赖于工程师的信心水平和方式,他们通常要躺板,”郭说。

引人注目的看着这三个品牌是如何迅速的范式转变。瑞萨的最新版本“灵活、低功耗特性提供性能水平,直到最近,只有在其高性能的解决方案。“今天高性能低档次两年后,”他说。

需要考虑性能随着时间的推移,,因为时间可以改变在同一设备年龄,或在特定领域的异构设计基于多种因素,包括用例和结束应用程序。问题是,没有一个解决方案或方法适用于所有的设计。

说:“这不仅仅是一个方法论Movellus费萨尔。“必须有一些IP在硅检测到发生了什么,然后补偿。它做更多的智慧,而不是只有一种方法适用于无处不在。根据定义,你过度设计。但是如果你有一种硅之间的鸿沟方面发生了什么,就像在这个芯片是否有变异,然后你就可以在运行时自动补偿。所以各种芯片平台,它只有一个单一的方法是最有效的事情。但实际上效率从PPM的角度来看,如果你想要所有的芯片定制的。”

图1:Movellus智能时钟方案。来源:Movellus

成长的代价
持续的发展时机市场反映重大变化在电子世界在过去的几年中。“1978年一辆车有一个电子控制单元和八个半导体器件,“总裁说Sevalia, SiTime营销执行副总裁。“一辆汽车从2022年有80个ecu和8000年半导体器件。你看到越来越多的半导体使用汽车,多处理器、多数据传输单位,所有的这些都需要时间。”

一辆汽车可以是一个独特的具有挑战性的环境。“它有能够启动在-40°C,它必须能够运行时引擎运行在125°C,它要能道路崎岖不平的道路上顺利运行。所以有内在冲击组件发挥作用——它是不断振动的运动,”Sevalia说。

5 g RRU也是如此(远程无线单元)的部署。“这些设备受到大自然的力量,“Sevalia说。“我们看到的是,电子产品作为一个整体被部署在非原始环境了。”

这是真的你是否安装一个设备的场馆振动随着人们穿过他们,或安装在户外的佛罗里达,他们必须通过一个飓风。,这些挑战可能会继续移动到前沿,随着日益增长的担忧。

“十年前,当我们在与客户交谈,没有提到尺寸在基础设施、收音机、基站,类似这样的事情,”他说。“今天,他们担心大小——而不仅仅是x - y足迹,这也是Z足迹,因为它们填充线卡在设备内部,必须有空间泵空气通过它你可以把热量。”

Sevalia说,更低的功率也越来越重要,而不仅仅是在移动物联网等领域越明显。“即使在基础设施方面,人们正在考虑能耗和说我们需要削减能源消耗下降,”他说。”,本身是一个挑战,因为你要注入更多数据,您的时钟信号需要弄清楚,把它清洁的一个方法是燃烧更多的权力,但你不能。”

找到一个解决方案
因为时机是一个层次结构,解决方案需要开发堆栈,下面的数据的处理和存储的任何地方。

Sevalia说的挑战会议结束的设备的需求更受振动,冲击和温度变化,随着日益增长的需求更高的性能,更低的权力,和较小的尺寸,使SiTime使用MEMS代替石英计时。“人们使用时间最长的石英,石英参考理所当然,”他说。”现在我们进来,说:“看,有不同的方式去做。”

展望未来石英可以提供关键的好处关于温度和振动。作为一个例子,考虑一个大板,可能会受到更多board-bending压力比边缘的中心。“在石英的情况下,你可能需要挂载设备板的边缘所以他们不受压力,”他说。“在我们的例子中,你可以把它无论你想要的。”

Skyworks威尔逊指出,设计工程师也正在寻找方法来解决这些问题通过功能集成。“系统设计师正在寻求解决方案,统一所有时钟生成和时钟分布在一个集成电路,”他说。“这有助于设计符合严格的性能要求而简化PCB足迹和功率预算。”

集成声谐振器
在最近的一次纸,普渡大学的研究人员、德州仪器和Skyworks详细的方法将声波谐振器集成到芯片使用的组件已经在那里了。

该论文的作者之一、达纳·温斯坦普渡大学电气和计算机工程教授,说关键的目的是消除需要一个芯片外晶体频率完全参考。一个石英参考,她说,“是笨重,需要一根电线销电信号到芯片。太低频,所以你必须乘频率。的嘈杂,能耗分配芯片信号无处不在。”

不过,她承认,任何努力这样做面临重大的挑战。“这是一个相当复杂的几何形状,它意味着我们必须处理很多约束的CMOS铸造定义和优化数字电路,”温斯坦说。“我们不能浪费时间与所有不同的层。我们不能选择我们的材料。所以你必须想出创新的方法来限制振动。有很多优化参与设计,在找出振动可以存在于一个堆栈,然后利用这些。”

与其他材料替代传统石英晶体,温斯坦说,不排除普渡团队试图解决的根本问题。“氮化铝和其他压电材料已经取代石英收音机调优元素,但它是一个单独的类型的精密加工和微电子学的过程,需要不同的功能,不同的材料,不同的包装比CMOS铸造厂的需要,”她说。

供应链和安全
温斯坦说,这些不同的材料和不同的包装,然后为每个专业芯片需要不同的制造业基础设施。“所以,带来额外的漏洞在供应链方面,以及在我们的能力在美国,所花费的时间增加,”她说。“很多美国的制造业发生的外部现在,特别是包装方面。”

供应链的研究承诺回避这些挑战。“我们所做的可以消除额外的芯片,消除了其它材料,甚至消除了包装,”温斯坦说。“因为振动结构嵌入的CMOS晶体管水平,完全可以避免。”

它也有可能减少安全漏洞与建立实践相比,这些利用石英晶体是否引用或别的东西。“无论如何,你必须交叉芯片,所以有销给直接访问时钟,”温斯坦说。“如果你时钟故障,如果有人设法获得电销,然后整个微处理器芯片被破坏。如果你能嵌入这些引用相反,没有外部时钟针,然后让它更安全的从这个角度来看。”

温斯坦说,一个单一的集成解决方案,也容易检查可能的篡改。“如果我能激发振动在我的芯片一旦打包,一旦它在这个领域,我可以做诸如超声成像芯片的原位和询问,“它被篡改吗?包好了吗?我可以在任何时候,”她说。

这种能力,可以检测出篡改特别有用如果你有发送芯片的非可信站点。“现在发生的很多,因为我们没有完整功能的可信的铸造厂。年代,”温斯坦说。“如果我必须寄出去对于这个过程的一部分,然后在另一个国家的过程的一部分,有人篡改设计,或插入硬件木马,或者惹一些线路,是不可能检测当你拿回你的芯片——除非你可以从内部审问。”

结论
至关重要的是,温斯坦指出,这项研究是通过使用标准的芯片。“我们在标准CMOS捏造这个,”她说。“我们只是贴在标准14纳米技术,通过多项目向公众提供晶片。没有什么特别,是芯片。它只是直接从铸造。”

不过,很大的局限性仍然在这种解决方案可以达到市场。“虽然我们已经展示了这些芯片,功能磁共振的信号是非常小的,所以有额外的挑战来关闭反馈回路谐振器成一个振荡器,时钟,”温斯坦说。“所以我们正在振荡器的设计,可以在标准CMOS。”

但她指出,需要时间。“这是期待作为铁电材料出现在更先进的技术节点,他们准备在接下来的几年里,”她说。“铸造厂已经发达。这是一个物质进入产品。一旦门是敞开的,振荡器的性能,实际的时钟芯片,只是一步之遥——零障碍进入标准技术。”

- - - - - -埃德·斯珀林对此报道亦有贡献。