3. Проблемы развития интегральной схемотехники для нанометровых технологий

3.1. Кризис схемотехники нанометровых микросхем

Стройная система синхронного развития технологии и схемотехники нарушается при переходе к размерам элементов менее 100 нм. Размерные эффекты в МОП - транзисторах, снижение надежности тонких МОП - структур, вариации электрических параметров нанометровых приборов диктуют необходимость изменения базовых принципов технологии. Нанометровые транзисторы часто имеют непланарную объемную структуру, меняется последовательность создания слоев, самосовмещенные области формируются без применения фотолитографии. Такие транзисторы не масштабируются при переходе к следующему технологическому поколению. Соответственно, не прогнозируются и их параметры. Наиболее важными стали не номинальные электрические параметры транзисторов, а их статистические вариации, взаимное влияние элементов на кристалле и длина корреляции параметров.

При проектировании электрических схем требуются новые методы анализа, основанные на статистическом характере всех электрических параметров элементов. Установлена новая цель оптимизации электрической схемы – это возможность ее реализации на основе выбранной технологии (Desing for manufacturability – DFM). Цель проектирования топологии и конструкции микросхемы – обеспечение экономически оправданного выхода годных (Design for Yeild – DFY).

Новые принципы схемотехники и методологии проектирования обеспечивают создание микросхем высочайшей сложности и рекордной вычислительной производительности. Однако отказ от унификации технологических решений и принципа масштабирования замедлил темпы разработки проектов для новых технологий. Ситуация усугубляется тем, что транзисторные структуры и технологические решения не унифицированы даже в одном поколении. Каждый производственный участок уникален. Технологические маршруты оптимизируются для производства схем памяти, микропроцессоров, мобильных устройств независимо друг от друга. Подготовка базы данных для проектирования осуществляется независимо для каждого производственного участка. Соответственно, снизилась производительность проектных работ, возросли расходы на разработку и подготовку производства новых изделий. Так Альянс STI (Sony, Toshiba, IBM) затратил миллиард долларов на разработку процессора Cell. Сравнимые затраты и у корпорации Intel на разработку процессора Polaris. При таких затратах номенклатура нанометровых микросхем очень мала. Ресурсы на разработку ограничены не только финансовыми возможностями, но и численностью специалистов, способных выполнять работы такого уровня сложности.

3.2. Пути унификации схемотехнических решений

Увеличение сложности проектов требует увеличения сложности унифицированных блоков. Структурирование и декомпозиция проекта обычно заканчиваются при достижении уровня унифицированных блоков. Дальнейшее развитие проекта состоит в выборе блоков из базы данных и заполнении ими функциональной схемы разрабатываемого устройства. Электрические схемы и топологические чертежи могут синтезироваться автоматически без последующей оптимизации. Распад системы совместной унификации технологических и схемотехнических решений для нанометровых микросхем вызвал кризис методологии проектирования. Важнейшей задачей современной схемотехники является создание новой методологии эффективного проектирования нанометровых микросхем, обеспечивающей многократное повышение производительности проектных работ. Для этого требуются новые методы унификации схемотехнических решений, не связанные с технологическим маршрутом. Унификация должна охватывать верхние уровни описания проекта – системный и функциональный. Состав библиотеки элементарных и простых функциональных блоков также должен быть однозначно определен. В такой системе унификации основные затраты потребуются на этапе синтеза и характеризации библиотек простых функциональных блоков. Процессы характеризации легко автоматизируются, а затраты на их выполнение раскладываются на множество проектов. Языки поведенческого описания как цифровых, так и аналоговых блоков позволяют уже сейчас автоматически синтезировать функциональные схемы и моделировать работу сложных функциональных блоков с удовлетворительной точностью. Новый уровень унификации должен распространяться на общую структуру микросхемы и поведенческие описания сложных функциональных блоков. Новые функциональные блоки будут разрабатываться на уровне поведенческих описаний и пополнять единую базу данных по проектам.

Интегрированная на кристалле сложная электронная система работает в условиях многих ограничений. Группа физических ограничений определяет надежность функционирования системы и включает ограничения на максимальную температуру кристалла, перепад температур, допустимую плотность тока в проводниках, максимальное рабочее напряжение. Группа технологических ограничений определяет реализуемость проекта и экономические показатели производства изделий. К ней относятся минимальные размеры элементов, допустимая плотность поражающих дефектов, вариации параметров полупроводниковых приборов. Системные ограничения включают ограничения частот передачи данных по сигнальным шинам и мощность, необходимую для обращения к памяти.

Статистические вариации параметров частично могут быть компенсированы электронными средствами. Электронная компенсация возможна только в пределах зоны корреляции параметров. Экспериментально установлено, что корреляционная длина большинства параметров лежит в диапазоне 1÷3 мм. Функциональные блоки необходимо объединять в кластеры с размером не более корреляционной длины. В каждом кластере размещается подсистема контроля параметров и управления режимами работы.

Кластерной структуре соответствует архитектура системы типа сеть-на-кристалле. Один модуль сети должен включать функциональный блок, коммутатор, блоки синхронизации, блоки контроля и управления режимами, блоки электропитания. Унификация технических решений потребует совместимости блоков. При этом модули сети будут отличаться друг от друга только функциональными блоками. Коммутаторы позволяют создавать программным путем прямые скоростные каналы связи между модулями сети. Одновременно могут функционировать много каналов связи. Система связей меняется программно в ходе решения задачи.

В сети должен присутствовать командный модуль, распределяющий задачи между функциональными модулями и конфигурирующий систему связей. Гибкая программируемая структура легко настраивается на новые применения, повышаются универсальность применения изделия и его надежность.

Выход годных и функциональная надежность – одно из основных преимуществ сетевой архитектуры. Например, корпорация AMD выпускает процессор Barselona с четырьмя вычислительными ядрами. Функциональные возможности поцессора не снижаются при отказе одного из ядер. Кроме того, продаются процессоры с тремя работающими ядрами и имеющие технологический брак в четвертом.

Масштабируемость технических решений легко реализуется в сети - на - кристалле простым изменением числа функциональных модулей. Общее число модулей в сети ограничено общей пропускной способностью системы сигнальных связей и потребляемой мощностью. Проектирование унифицированных блоков для сети – на - кристалле должно учитывать возможности масштабирования сети в широких пределах (не менее чем в 10 раз по числу объединяемых модулей).

Комплекс требований к параметрам и возможностям унифицированных блоков не должен включать характеристик конкретного технологического маршрута. Все проблемы по соблюдению требований спецификации для сети - на - кристалле должны быть решены в процессе разработки унифицированных блоков. В свою очередь спецификация для построения сети - на - кристалле должна учитывать общие возможности современной технологии без связи с особенностями конкретных технологических маршрутов.