随着芯片复杂度不断增加,半导体行业相应发生了巨大变化。为了建造采用最新技术(如90纳米工艺)的晶圆厂,垂直商业模式的集成器件制造商(IDM)面临着巨额投资的压力。现在,他们越来越多地将设计工具、半导体知识产权(IP)、甚至制造和测试服务等外包给其他公司,以维持或实现盈利。
这已经导致了无晶圆厂设计公司的兴起以及合同半导体制造商的流行。从技术角度看,当今的130 nm和90 nm等深亚微米工艺已经接近使半导体可靠性和成品率充满风险(不确定性)的敏感水平。此外,日益增加的上市压力迫使IDM和无晶圆厂设计公司在某一半导体工艺尚未达到传统的缺陷密度和成品率目标之前便开始投入量产。
对这些公司而言,经过硅片验证的第三方IP可以使他们专注于开发体现其核心竞争力的系统级芯片(SoC)部分,从而有效满足上市时间的要求。现在,各家公司纷纷将对产品差异性无关紧要的部分从设计中剥离出来。只要第三方IP解决方案能够通过硅片验证,并满足性能需求,那么他们就可放心地外包这部分设计。
SoC器件的功能越来越复杂,从而需要使用一系列现成可用且经过硅片验证的高性能嵌入式存储器内核,但公司内部的存储器IP开发团队一般很难创建和维护这些内核。在强调成本控制、迅速上市和量产的市场大环境下,半导体公司正快速转向IP外包模式。
据半导体行业协会(SIA)统计,现在每块芯片的面积中有一半以上的内容都是嵌入式存储器。因为嵌入式存储器在SoC设计中是如此关键的一个元件,所以IDM和无晶圆厂设计公司都想利用嵌入式存储器IP。它可以帮助他们显著减小裸片尺寸和增强芯片性能。事实上,越来越多的公司正在使用大量高性能、低功耗的嵌入式存储器,其应用领域包括:
1.消费类电子:可访问互联网的设备及其它消费类产品越来越需要更强的功能、互联网连接和低功耗特性。
2.计算机:PC、工作站、服务器及其它计算设备需要更复杂的芯片组和高性能的嵌入式存储器,以实现高级3-D图形和数字信号处理等新功能。
3.通信和互联网基础设施:通信SoC已被广泛应用于网络基础设备中,包括路由器、交换机、DSL调制解调器、千兆以太网设备和家庭联网设备等。永无止尽的带宽需求驱使这些应用需要更高的存储容量和更快的存储器。无线计算和通信也要求在传输数据之前或接收数据之后存储数据, 从而扩大了对嵌入式存储器的需求。
如果采用定制设计技术,嵌入式存储器将比独立的存储器具有更高的面积利用率,并能针对性能做更高程度的优化。设计SoC的专用存储器需要具备特殊的知识和专业技术。此外,专用存储器的架构必须针对每一代的新工艺技术以及每一家不同的代工厂而重新设计,这是一个非常耗时的过程。
随着产品变得越来越小而轻,芯片面积也变得非常宝贵。减小芯片尺寸不仅能增强产品的便携性,而且还能降低成本。在单个SoC上嵌入多个存储器可以减少使用的芯片数量及封装成本,通常,封装约占整个芯片成本的40-50%。更小的裸片还意味着更高的成品率,这相当于节省了更多成本。因为占位面积在芯片设计中是如此关键的一个因素,而且SoC设计的大部分面积被存储器占用,所以确保嵌入式存储器为尺寸做过优化显得很重要。
嵌入更快、更大的存储器,并将它们置于距处理器更近的位置能够极大地提高系统性能。如果不采用嵌入式存储器,设计人员将面临的限制因素包括封装I/O、印刷电路板和独立存储器的可用配置(深度、宽度和端口数)。I/O的传输延时可能会增加几个纳秒。如何可靠地驱动100 MHz以上的PCB总线也是一个挑战。高速的独立存储器并不总是按所需的配置来供应的,而且它们非常昂贵。通过采用专用的嵌入式存储器,设计人员能够优化存储器的不同配置以及存储器与系统的接口,从而获得两到三倍于独立存储器的性能。
在无线或电池供电的应用中,降低功耗以延长电池使用时间是至关重要的。嵌入式存储器无需使用介于独立存储器与其它系统芯片之间的片外电容,从而可降低系统总功耗。更低的功耗意味着更少的散热量,因而对封装的要求也可相应降低。借助存储器IP供应商提供的详细、准确的功率模型以及专为低功耗而设计的存储器,设计人员能够优化存储器配置和系统设计,以便将功耗降至最低。
设计人员必须对设计中所用的嵌入式存储器的可制造性具有绝对的信心。这要求设计方法从一开始就考虑到可测试性和可制造性问题,而且还需要一个综合性的硅片验证程序以确保存储器符合规范,并能获得高成品率。在被集成进产品之前,存储器必须能够在很宽的温度和电压范围内生产、测试和表征。此外,每种存储器都需要针对多家代工厂做优化,以确保有不间断的供应源,并维持低价格。通过购买已经经过广泛测试和特性分析的存储器IP,IDM和无晶圆厂设计公司能够使产品开发周期缩短几个月的时间,并确保存储器是经过硅片验证的,而且在第一次出带(tapeout)就可取得成功。
虽然嵌入式微处理器和DSP内核在本质上决定了系统架构,但嵌入式存储器才是确保设计能以低成本方式实现制造的关键。随着更大的存储器被集成到SoC中,是嵌入式存储器,而不是嵌入式微处理器决定了SoC的可制造性和成本,以及达到量产所需的时间。
存储器是遵循严格的设计规则而设计的,其晶圆缺陷密度一般是逻辑器件的两倍。当采用130nm和90nm等更先进的工艺时,存储器的缺陷密度可以达到更高的水平。随着存储器越来越大,占用的硅片面积越来越多,它们已成为决定整个裸片成品率的主导因素,并直接影响着芯片的裸片成本。内置自测试、内置自诊断和内置自修复等功能可以显著提高质量和成品率。
冗余是应对存储器缺陷和提高总体成品率的有效修复技巧,它在存储器设计中提供了多余的位来替代有缺陷的位,从而有助于提高成品率和降低成本。
现在,商用嵌入式存储器供应商拥有宽泛的产品线和专业技术,足以向IDM和无晶圆厂半导体公司保证外包的存储器IP不仅可以节省时间和金钱,而且可以创造更高质量的产品。为了吸引更多的公司考虑外包存储器IP,嵌入式存储器必须提供比独立存储器更多的附加价值。嵌入式存储器的确可以实现这一点,而且不要求设计人员是存储器专家。
这些因素为那些向SoC设计提供高可靠性、高性能嵌入式存储器IP的第三方供应商创造了一个广阔的市场。
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