FPGA奔向45纳米

摘要：10月23日，Altera公司技术开发副总裁Mojy Chian博士来到北京，在媒体座谈会上介绍了该公司45nm IC开发的情况。他说，45nm相对65nm的优势要比65nm相对90nm的优势更大，同时开发难度也更高。Altera通过选择正确的合作伙伴、采用“第一片硅投产”的方法以及协作设计和工艺开发的方式来实现2008年45nm FPGA的生产。

那个叫Moore的人真幸运。他没有发现真正的物理定律。他只不过总结并预测了半导体产业的发展规律，但他可能比大多数发现真正定律的物理学家都著名。说他幸运，是因为那个所谓的“摩尔定律”还在延续。他应该感谢那些不断挑战半导体线宽极限的工程师们，是他们攻克了工艺上的一个又一个难关，使摩尔先生保持金身不败。

降低半导体线宽或晶体管尺寸的诱惑仍在持续。每两年，新一代的半导体工艺就会出现。这次，也就是从65nm到45nm，晶体管的密度又将提高一倍（65x65/45x45 = 2.09）。虽然开发成本随着线宽的不断缩小而非线性地急剧上升，但单个晶体管的成本仍然会降低。更重要的是，新一代的芯片功耗更低、速度更快。所以，快速抢滩下一代半导体工艺仍然是半导体厂商们玩不腻的游戏。

这次不同的是，小虾米们已经玩不起了。只有大佬们才有资本继续玩下去：因为开发成本和技术门槛高得吓人。成本高到什么程度？每条45nm代工厂（foundry）生产线投资需要30亿美元，工艺开发需要10亿美元。这还不算集成电路的设计费用。

技术挑战的根源在于，45nm已经接近原子尺寸极限。门级氧化物只有3至4个原子大小，一个晶体管由很少的原子组成。在这个尺寸下，用于光刻的光的波长、晶体管的漏电、寄生电容等都是不容易解决的问题。在此背景下，IC设计和生产工艺之间的相互依赖更加紧密，IC设计者更要关心底层工艺问题。

因此Chian博士说，Altera与台积电的合作是Altera研制45nm FPGA的首要前提。台积电是排在Intel、三星、TI、ST和东芝之后的全球第6大半导体制造商。由于前5个公司不经营代工业务，所以台积电实际上是世界上最具实力的代工厂。台积电在研发、产能和质量控制方面都处于领先地位。对于Altera这样的Fabless半导体供应商来讲，与台积电合作应当说是最好的选择。Chian博士介绍说，Altera与台积电有13年多的合作历史，双方合作紧密无间，合作关系已经超越了普通的业务关系，它们更像一个大公司的两个部门：Altera是IC设计部门，而台积电则是生产部门。

Chian博士介绍说了Altera所谓的“第一硅片投产”（first silicon to production）的设计方法。其特点包括可编程功耗技术，它使新一代芯片的功耗显著降低；精确的晶体管模型，它实现了最佳的器件性能。另外，Altera在设计阶段就考虑到了器件的可靠性，保证了器件的可生产性，即高成品率。

Chian博士着重介绍了Altera的测试芯片方法，它和建模、仿真一起成为“第一硅片投产”的基础。测试芯片的目的是降低生产工艺和电路设计当中的不确定性风险，它是验证新工艺和改进电路设计的手段，通过它可实现性能和可制造性两方面的最佳平衡。在90nm和65nm工艺节点，Altera都使用了9款测试芯片。此次45nm节点他们将使用8款测试芯片。目前已经完成了4款，在2008年产品正式推出之前还要测试4款芯片。

业界曾预计台积电最快于2007年底推出首颗45nm工艺客户晶片。台积电曾证实，45nm工艺研发团队在顺利将技术移转给生产端后，将接手下一代22nm技术平台开发，与目前32nm工艺研发团队多路并进。台积电预估32nm工艺最快于2009年试产，争取延续每两年一代的摩尔定律速度。

值得注意的是，今天市场对半导体器件的要求已经和过去不一样了。过去，用户最注重的是器件性能，其次是功耗，最后才是价格。随着半导体器件性能的不断完善，尤其是随着中低端民用产品成为应用主流，市场首先看重的是成本，其次是功耗，最后才是性能。Altera的Cyclone系列系列FPGA就是为低成本应用而开发。Chian博士没有透露下一代45nm FPGA产品具体的时间表，更没有透露何时才会推出45nm Cyclone系列。估计Altera最早的45nm FPGA产品应该是面向对功耗和性能要求较高的中高端应用。

顺便说一句，Mojy Chian博士不是华裔。他于70年代从中东移居美国，先后获得了佛罗里达理工学院的电子工程学士、硕士和博士学位。Mojy Chian博士现定居于加州圣何塞市。