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格芯“体偏置生态系统”蓄势待发

10月 24, 2019

作者:Dave Lammers

格芯在22FDX技术方面已经取得了一些成功,但是在保守的半导体行业中,要让新技术投入使用是一个耗时耗力的过程。经过几年的基础夯实,同时5G、汽车和射频物联网设备都意味着全耗尽式SOI技术市场的快速增长,现在正是FDX大展拳脚的时候。

格芯工业和多市场业务部副总裁Ed Kaste在格芯技术大会(GTC 2019)分组会议上介绍道,格芯预计22FDX器件今年的出货量将达1亿个。

在电源管理领域的一个量产设计中标中,FDX在模拟、射频和低功耗工作方面的优势与体硅相比,更胜一筹。格芯移动与无线基础设施市场部高级总监Jamie Schaeffer表示:“我们相信通过展示FDX在该电源管理应用中可实现的性能,将有助于我们在物联网领域赢取其他大批量设计中标。”虽然该电源管理芯片相对较小,所需的晶圆数量也不是很多,但Schaeffer表示,这是一个范例:展示了即使未启用体偏置,仅22FDX“也是一个性能更出色的晶体管”。Schaeffer在9月下旬于圣克拉拉举行的GTC 2019上介绍道,在0.5V电压下(许多设计中标的目标电压),基于SOI的FDX技术功耗更小、漏电流更低,而且射频性能甚至“超出了格芯的初始期望值”。

我在会议上的感受到,目前,FDX技术所需的方方面面都汇集到一起,种类繁多,这篇博客无法一一加以介绍,因此,我将重点关注自适应体偏置功能。

FDX设计中标中很少采用体偏置,部分原因是迄今为止还没有多少设计人员能够轻松实现体偏置以达到性能提升或功耗降低。在某些用例中,用于实现体偏置的IP本身就消耗了相当大的功耗,从而抵消了总体功耗收益。

体偏置生态系统就绪

但是,一切都在改变。市场现在已经完全支持自适应体偏置(ABB),总的来说,可以从多家IP供应商处获得更深入的FDX IP库,包括面向汽车应用的Synopsys、面向物联网CryptoIsland™安全性的ARM,以及来自芯原的IP等等。

Schaeffer向GTC与会者表示:“体偏置无疑是FDX最具差异化的能力,但由于没有完整的体偏置生态系统,因此它尚未得到广泛采用。在过去几年里,我们建立了首个体偏置生态系统,包括带有工艺、电压、温度和体偏置表征的库和存储器。该生态系统还包括体偏置发生器,以及来自Cadence和Synopsys的参考设计。从设计和规划一直到表征和测试,我们已经全部准备就绪。”

Schaeffer表示,其目标是“为客户简化用例。富有创意的设计人员如何使用体偏置并不受任何限制,只是在某种程度上,我们将它过度复杂化了。为了简化设计过程,我们让客户能够利用体偏置来补偿工艺。仅此一项,就可以使设计性能提高多达30%。仔细想想,该设计与半代工艺或全节点改进类似,只需进行一个设计微调即可。”

Schaeffer在GTC上宣布,22FDX平台现已支持ARM的内置安全IP(称为集成安全元件(iSE)),从而让物联网设备设计人员能够更轻松地获得安全认证。 
 

ARM的集成安全元件(iSE) IP现可用于基于22FDX的SoC,降低高安全性标准芯片供应商的进入门槛
(资料来源:GTC 2019)

来自Dolphin Design的关键IP

Dolphin Design(总部位于法国梅朗)首席执行官Philippe Berger表示,公司30位工程师今年开发出了IP和测试芯片,可支持FDX平台上的自适应(正向或反向)体偏置(ABB)(正向偏置降低阈值电压以提高性能,而反向偏置则提高Vt以降低漏电流)。

ABB功能让设计人员可以利用正向和反向偏置技术,动态补偿工艺、电源电压、温度(PVT)变化以及老化影响。Dolphin的IP嵌入了体偏置电压调节、PVT监视器、老化传感器以及控制环。Berger表示,当传感器监视PVT特性时,“可调节体电压,使晶体管恢复到您所需要的特性”。

他还表示,Dolphin IP“提供了能够充分利用工艺角紧固优势的设计方法论”。Dolphin与格芯于今年1月签署了合同,共同开发ABB知识产权,目前已可提供该IP。Berger介绍道,客户从Dolphin获得IP许可时,它是作为“格芯赞助”的IP免费提供的。

Berger表示:“基本上,目前几乎没人在使用体偏置,因为没有设计环境。”他还预测道:“今后,体偏置解决方案将至关重要,特别是当设计人员要将射频与其余电路结合在一起时。”Berger表示,体偏置功能随着5G蜂窝和物联网市场的蓬勃发展应运而生,体偏置(BB)将广泛应用于功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)功能。

Dolphin的自适应体偏置(ABB) IP是格芯体偏置生态系统的一部分,旨在改善性能、延迟和能耗。
(资料来源:GTC 2019)

Invecas, Inc.客户工程部副总裁Bhaskar Kolla表示,Invecas已经创建了一个标准的单元库,该库具有适合于自适应体偏置的工艺角表征。Invecas库中的“hook”可将Dolphin的ABB IP调入系统一起工作。Kolla表示:“Dolphin IP将使得动态(自适应)偏置更易于使用。一些客户已经使用了静态(正向)偏置,但是借助自适应偏置,客户既可以使用正向偏置,也可以使用反向偏置。我们的库现已支持这一功能。”

格芯平台首席技术专家兼全球研发部副总裁John Pellerin表示,新一代FDX工艺12FDX中将搭载更多ABB优势。22FDX工艺中的阱结构要求预先设置好给定电路模块的体偏置条件(对标称电压进行加/减),而采用12FDX工艺时,则能够以非常精细的电路粒度在两个方向上任意切换偏置。“我可以将它比作街道。采用22FDX时,就像是在城市街区中的车流只能单向行驶,而采用12FDX时,该城市街区中的车流可以双向行驶。”

格芯经过重组,组建了一个新部门,负责面向汽车、工业和多市场(AIM)应用的处理平台、IP和其他设计支持元件,其中多重市场涵盖了物联网市场,例如用于农业、智能城市、医疗、可穿戴电子产品、智能家居等领域的低功耗蜂窝网络。

Kaste告诉GTC观众,尽管早先对物联网市场增长的炒作有所降温,但他相信,随着AIM市场(汽车、工业和多市场)到2022年将增长达到240亿单位,“我们希望证明它即刻必将起飞”。此外,几乎所有AIM市场(98%)都将采用12nm设计规则,而且这一比例“到2022年及以后”将更高。

每一度电都至关重要

为了使这些预测成为现实,限制能耗成为当务之急,这对于FDX技术而言是个巨大的机会。数十亿乃至数万亿台连接设备必须功耗极低。正如Synopsys联合首席执行官Aart de Geus在GTC的主题演讲中指出的那样,在全球变暖的时代,“每一度电都至关重要”。

5G网络融合使AI增强型物联网设备能够将大量数据发送至云,产生倍增效应。de Geus表示:“物联网与5G的乘积作用,将产生海量数据来发送至云。但这意味着令人难以置信的能源需求,而这个时代人人都在关注气候变化。地球的生存能力受到威胁。”

 

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