賽靈思日前正式在全球發(fā)布其“堆疊硅片" title="堆疊硅片">堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)”，旨在超越摩爾定律" title="摩爾定律">摩爾定律的束縛。在賽靈思啟動(dòng)目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)戰(zhàn)略時(shí)，他們提到要進(jìn)行統(tǒng)一架構(gòu)的產(chǎn)品路線。而該公司不久前推出的7系列FPGA" title="FPGA">FPGA中，有關(guān)邏輯架構(gòu)、Block RAM、時(shí)鐘技術(shù)、DSP切片和Select I/O已經(jīng)完全相同。現(xiàn)在，與7系列一樣，堆疊硅片互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)同樣基于ASMBL模塊架構(gòu)，統(tǒng)一架構(gòu)產(chǎn)品路線的終極目標(biāo)正式曝光。
升級(jí)面臨瓶頸
目前FPGA工藝已經(jīng)到達(dá)28nm節(jié)點(diǎn)，但市場(chǎng)對(duì)于更多的邏輯容量、高速串行收發(fā)器、內(nèi)存等的需求依舊孜孜不倦，摩爾定律的瓶頸日益突出。賽靈思亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人認(rèn)為，如果沿著摩爾定律開發(fā)更大規(guī)模的FPGA，一是良率會(huì)越來越低，二是平均要花2年左右時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這顯然不符合市場(chǎng)需求的節(jié)奏。此外，如果要通過PCB或MCM上集成多個(gè)FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)大型FPGA的功能，則目前最大型的FPGA只有1200個(gè)pin可用，I/O資源有限，時(shí)延過長(zhǎng)并且功耗會(huì)增加，這些都限制了門電路的性能。“堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)為FPGA帶來全新密度、帶寬和節(jié)能優(yōu)勢(shì)，”湯立人說，“相對(duì)于單片器件，單位功耗的芯片間帶寬提升了100倍，容量提升2倍～3倍。”
技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)
賽靈思亞太區(qū)市場(chǎng)及應(yīng)用總監(jiān)張宇清表示，堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)在單個(gè)封裝中集成了4個(gè)28nm工藝的FPGA切片（圖1），以實(shí)現(xiàn)突破性的容量、帶寬和功耗優(yōu)勢(shì)，其高密度晶體管和邏輯能夠滿足對(duì)處理能力和帶寬性能要求極高的需求。該技術(shù)通過采用3D封裝技術(shù)和硅通孔 (TSV) 技術(shù)來突破摩爾定律的限制，利用堆疊硅片互聯(lián)封裝方法可以在現(xiàn)有工藝節(jié)點(diǎn)提供200萬(wàn)個(gè)邏輯單元。
湯立人詳細(xì)介紹了有關(guān)細(xì)節(jié)：在堆疊硅片互聯(lián)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)在一系列相鄰的FPGA芯片上通過1萬(wàn)多個(gè)過孔走線。相對(duì)于必須使用標(biāo)準(zhǔn)I/O連接在電路板上集成兩個(gè)FPGA而言，堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)將單位功耗芯片間連接帶寬提升了100倍，時(shí)延減至五分之一，而且不會(huì)占用任何高速串行或并行I/O資源。在堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)中，無源硅中介層由TSMC提供，它有四層導(dǎo)線層，是堆疊互聯(lián)的關(guān)鍵（圖2）。由于中介層無源，因此不存在散熱問題，它使得建立在該技術(shù)上的超大規(guī)模FPGA相當(dāng)于單芯片。
“由于較薄的硅中介層可有效減弱內(nèi)部堆積的應(yīng)力，一般說來堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)封裝架構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力低于同等尺寸的單個(gè)倒裝BGA封裝，這就降低了封裝的最大塑性應(yīng)變，熱機(jī)械性能也隨之得以提升。”湯立人表示，“通過芯片彼此相鄰，并連接至球形柵格陣列，可以避免采用單純的垂直硅片堆疊方法出現(xiàn)的熱通量和設(shè)計(jì)工具流問題。”
為了實(shí)現(xiàn)堆疊硅片互聯(lián)，賽靈思花了五年時(shí)間進(jìn)行研發(fā)，并與TSMC和Amkor（封裝廠）在制造流程上進(jìn)行了深度合作。為了表示對(duì)這一先進(jìn)技術(shù)的重視，TSMC研究及發(fā)展資深副總經(jīng)理蔣尚義博士親臨賽靈思臺(tái)北發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)。他指出，多芯片封裝FPGA提供了一個(gè)創(chuàng)新的方法，不僅實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的可編程性、高度的可靠性，還提高了熱梯度和應(yīng)力容限特性。通過采用TSV技術(shù)以及硅中介層實(shí)現(xiàn)硅芯片堆疊方法，基于良好的設(shè)計(jì)測(cè)試流程，可大大降低風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
工具高效支持
針對(duì)堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)，賽靈思將在其ISE 13.1設(shè)計(jì)套件中提供新的功能，其中有設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRCs）和軟件信息可引導(dǎo)用戶實(shí)現(xiàn)FPGA芯片間的邏輯布局布線。此外，PlanAhead和FPGA Editor功能增強(qiáng)了基于堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)的FPGA器件的圖示效果，有助于開展互動(dòng)設(shè)計(jì)布局規(guī)劃、分析及調(diào)試。此外，該軟件可自動(dòng)將設(shè)計(jì)分配到FPGA芯片中，無需進(jìn)行設(shè)計(jì)分區(qū)，并遵循芯片間和芯片內(nèi)的連接和時(shí)序規(guī)則。如果需要，用戶亦可在特定FPGA芯片中進(jìn)行邏輯布局規(guī)劃。
據(jù)悉，目前代號(hào)TV3的測(cè)試芯片已經(jīng)通過設(shè)計(jì)驗(yàn)證和工藝鑒定，首先采用堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)的將是28nm Virtex-7 2000T，其邏輯容量是目前賽靈思帶串行收發(fā)器的最大型40nm FPGA的3.5倍以上，同時(shí)也是最大競(jìng)爭(zhēng)型的帶串行收發(fā)器 28nm FPGA 的2.8倍以上，預(yù)計(jì)首批產(chǎn)品將于2011年下半年開始供貨，其目標(biāo)市場(chǎng)將是下一代通信、醫(yī)療、測(cè)試和測(cè)量、航空航天和國(guó)防、高性能計(jì)算以及ASIC 原型 設(shè)計(jì)仿真。