低功耗FinFET的变化设计

搬到一个最大的优势之一前缘流程节点是超低电压操作,设备可以实现更好的性能用更少的力量。但最新一代过程节点还引入一个新的挑战,由于增加了变异可以影响从信号完整性制造业产量。

虽然变化都很了解,有更多的变化在每一个新节点的来源和影响是附加的。此外,传统的解决这个问题不再工作,和不断上升的复杂性使得模型更加困难。因此,芯片制造商被迫寻找替代方法不仅仅是guard-banding。

“有更多的变化与小finFET过程几何图形,尤其是在10纳米,下面,由于收缩节点流程和各种石印的线对齐效果,”玛丽安说白色,产品营销主管汽车、低功率和finFET实现Synopsys对此。“在超低电压变异更加放大,波形失真也是由于导线电阻的增加和米勒效应(高电容),“

的确,每一个新节点使用最新的FinFET技术引入了额外的挑战时生产产量、产品管理主管Jerry赵节奏,指出。”从电源和信号完整性的角度来看,电迁移(EM)及其与热消费如self-heating-effects(她)介绍了芯片的可靠性分析设计挑战。例如,统计他们预算(SEB)或failure-in-time(适合)计算汽车芯片设计成为主流设计要求。”

例如,一个超低电压供应如Vdd = 650 mv 5海里FinFET节点使ir降和EM更难完成签收比Vdd = 950 mv 16 nm FinFET节点,赵说。“传统guard-banding 10% Vdd只剩下65 mv设计两个节点之间的利润率下降30%。考虑附近10 x线的阻力,增加相同数量的电流会引起更高的电压降5 nm节点上,使其很难满足上述10%的门槛。”

图表说明了电阻值迅速增加,到10倍,当从16 nm FinFET 5 nm FinFET。金属丝的电阻越大,红外越大下降将使用相同的电流。换句话说,红外下降已成为一个更重要的设计问题在5比16 nm。
来源:节奏

即使设计遇到了这种传统的方法“guard-banding”电子签收,失败7海里FinFET硅证明,新技术的组合IR-aware静态时序分析(STA)从EDA供应商是必需的,他指出。“在给定电压变化水平,细胞的延迟在5 nm跳跃更高;更敏感的弗吉尼亚州/δv的行为。本ir降敏感的是‘好’的道路,每guard-banding标准,可能是一个“失败”的路径在硅的累积影响个体细胞的电压降。识别和分析(ir降敏感的路径,然而,并不比在干草堆中寻找一根针,需要最新的机器学习技术和一个统一的时间+电力电气发动机签收。”

占这些影响是一个日益严重的问题为各种不同的芯片开发的高级节点,包括那些开发人工智能,机器学习,同时在数据中心和边缘。边缘设备这个问题尤其严重,因为需要处理的数据量增长远远快于改善电池技术将允许。

晶体管密度增加有助于跟上移动到下一个节点的数据,和降低电压最小化对电池寿命的影响。但增加了噪声密度也意味着公差,电力和布局更紧比旧的节点。任何类型的变化可以破坏这微妙平衡打印了几纳米因为EUV扫描仪不同于另一个。

“排列在一个或两个纳米超临界,因为这实际上决定了晶体管阻力路径,”克劳斯Schuegraf说,副总统的新产品和解决方案PDF的解决方案。“这里的变化很重要因为Vdd低。你在谈论Vdd的0.75 v。所以当100 mv的变化是好的过去,现在10 mv或15 mv会造成一个问题。”

减轻影响
过程变化通常被添加额外的保证金为解决设计。但在高级节点,额外的电路可以产生重大影响性能和权力。与超低电压设计,公差等噪声紧。所以当变异可能会导致一些小问题在28 nm,它可以呈现在7纳米芯片无法使用。它也可以影响芯片对其预期寿命的可靠性。

“模型可靠性需要包括过程变异,”安德烈·兰格说,集团经理质量和可靠性弗劳恩霍夫东亚峰会。“过去,你看着角落里的情况下,添加,然后它被认为是安全的。在新技术,将不再工作节点或甚至在旧节点为工业应用程序使用24 x 7。我们看到不同的观点因为晶体管退化保证金。所以你有悲观的模型和精确的模型,没有额外的保证金,你看你需要多少。”

变化是一个复杂的因素,从设计到制造和技术开发来减轻这些影响。基于参数的优化和分析芯片上变异(POCV)从合成到地方,路线和签字可以帮助。所以可以等技术先进的波形传播(用)的波形失真模型高级节点和执行timing-driven优化。

但变化也是一个关键驱动因素对利用技术,如自适应电压缩放(AVS)和动态电压和频率扩展(dvf)。虽然这些方法已经存在了一段时间,他们采用有限的因为他们比增加利润率更难以实现。现在这些技术越来越普遍的拯救力量。

“高级节点的增加过程的可变性CMOS技术已成为SoC设备发展的一个重要因素在设计速度和动力性能,”拉姆齐·艾伦说,负责营销的副总裁Moortec半导体。“自决的设备温度、电源电压水平,和自己的生产工艺特点,主要是为像per-die dvf性能优化方案的基础上,开发社区正成为一个令人信服的概念。这也是被用来测量硅老化的影响,分析关键时机和条件advanced-node设备供应,尤其是finFETs。”

其他人也同意。“有可能甚至更需要这些技术的高级节点,“Prashant Varshney说,集团产品管理主管导师,西门子业务。“这些节点表明更大的设备行为的变异与PVT条件,迫使设计师使用更多,这意味着如果设计是在最糟糕的情况下,实现实时PVT的空间优化甚至更高。添加了悲观主义设计师一直挣扎在设计过程中对许多过去一代又一代的过程,每一代,当设计师感觉是不可行的,以满足设计规格使用前面的方法,新概念出现。例如,当标准芯片上变异减免在finFET太多的处理节点,先进技术如SBOCV(阶段缴纳)和POCV出现,所以他们将会减弱添加的悲观情绪,并使设计可行的。”

尽管技术介绍了在设计过程中减少悲观,包络变化很大,有机会做一个步进式芯片,PVT-by-PVT优化更大,Varshney说。

dvf和AVS已存在多年,但这些都不是简单的技术部署。

“dvf,最大的任务是设置模式,当某些事情会发生,”白解释道。“另一方面,AVS指更闭环的方法理解,“我已经闲置了很长时间,所以我要继续和权力自己下来。“第一个基于模式提供了更多的控制,另一个是做这件事本身。在这两种情况下,他们都需要设计技术。”

dvf,基本思想是成比例的频率工作负载的需求。主要是由软件控制,进而尺度上的电压在当前操作所需的最低频率。

“AVS达到更准确和控制电压比例在一个封闭的循环使用真正的过程中,电压,和温度(PVT)信息读入的专用电路的死,“Varshney说。”更大的变异较小的节点上,似乎有一个更大的AVS的范围,提供最优电压降低为一个给定的频率,从而减少功耗。”

Moortec艾伦同意。“AVS涉及减少力量通过改变操作条件在一个ASIC在一个封闭的循环。dvf电压的电源管理技术是增加或减少取决于动态(电压、温度)和静态(流程)芯片的条件。两者都有助于优化芯片条件以不同的方式。”

dvf方案也可以使用一次考虑过程,甚至随着时间的推移,账户用于温度和老化。“这是可能的,例如,减少电力消耗来实现所需的操作速度。也可以考虑过程变异在死去,这是当今大型soc,”艾伦说。

时决定如何应用AVS和dvf最佳效益,Synopsys对此“白色指出,应用程序和高处理能力可以最好的利用扩展技术的好处。“几乎任何时候你看到一个应用程序,该应用程序需要CPU或处理单元,你肯定会尽量节省电力的事情,因为你不希望CPU操作全bore-especially当你谈论移动和移动电话。例如,你不想让你的相机上。我知道很多人已经开始抱怨iPhone 6的电池甚至不能现在大多数日子里最后一个小时。任何的计算密集型并不总是需要100%。这就是这些技术是非常有用的应用程序。”

汽车增加了复杂性
汽车爆炸的兴趣,部分还在电源管理方面提出了一些独特的挑战。尤其如此的AI系统自主车辆。

在汽车中,一个最大的挑战是建模的变化将如何影响芯片的功能条件下一段多年,从未实地advanced-node设计。变化改变生产过程的每一个新的牧师,但也受到新工具、材料和包装方法。

权力是一个关注多个系统在汽车,以及整个汽车作为一个系统。但也有很多高电压技术在汽车,所以有一点不同的权力问题。

”有很多的处理能力在汽车,”怀特说。“你必须意识到(AVS技术和dvf)会导致功能性安全问题。如果你做任何形式的电压缩放,你可能需要一个外部监视器,像一个在/ /电压监视器,例如。你必须建立在安全元素,以确保你不降低电压,这样它会关闭你需要的东西,就像运行的电动机。你不希望它决定调整电压,和规模降至零,然后关掉发动机。在一个ECU单元,您可能不想做,没有监控。”

它会方便如果dvf和AVS等自动化技术在设计和实现工具的今天,但它不是那么简单。

导师的dvf Varshney说,关键是要确保设计关闭dvf电压和频率的组合。“一些今天的商业工具的方式将这些技术在设计过程。例如,每个组合的电压和频率可视为一个操作场景的设计、和工具可以执行调优/定时关闭所有这些变化同时进行。目标转换成频率不同的时钟周期对于一个给定的操作模式,可以注释和电压值细胞操作角的基础上,。一个关键技术,延迟扩展或插值,需要适应不同电压值特征值在lib,[一些]工具可以处理很容易通过执行其他操作的值之间的插值角落。”

怀特指出,dvf AVS不一定是自动的。“如何实现dvf电压岛显示低电压和高电压,注意的是,只有部分的CPU可能需要较低的电压。你可以指定与频率相关的不同能量状态缩放UPF值,例如。然后,从实现的角度来看,你必须确保所有的PVT角落。”

和Moortec艾伦指出,AVS和dvf不会同时使用。“一般情况下,将使用一个或另一个,这取决于ASIC和应用程序。例如,一个闭环AVS系统芯片中使用某些结构提供所需的数据自适应跟踪硅的行为。AVS应用与芯片可变性补偿通过优化上的电压去考虑在芯片的条件下操作。它还可用于设置热警报和启动风扇操作。操作在更高的速度显然会导致更短的寿命,而操作以最佳速度将提高设备寿命,从而增加其可靠性。”

dvf另一方面可以用于许多芯片的应用,包括晶圆排序基于查找表(附近地区)。“它还可以用来检查功能通过递减供应常规步骤,以及发现中心功能最低电压,”艾伦说。“电压可以利用最优功率设置为正确的水平和可靠性的设备。”