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完全揭秘:FinFET晶體管如何大動作影響動態(tài)功耗?

發(fā)布時間:2015-07-06 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】FinFET晶體管與平面器件相比,它們可以提供更低的功耗、更高的性能和更小的面積。這使得FinFET對智能手機(jī)、平板電腦及要求長電池壽命和高性能的其他產(chǎn)品來說極具吸引力。那這是不是就說明他是完美的呢?答案是否定的。
 
現(xiàn)在主要的代工廠都在生產(chǎn)FinFET晶體管,這些FinFET以創(chuàng)紀(jì)錄的速度實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到現(xiàn)貨產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變。FinFET的發(fā)展普及一直都比較穩(wěn)定,因?yàn)榕c平面器件相比,它們可以提供更低的功耗、更高的性能和更小的面積。這使得FinFET對智能手機(jī)、平板電腦及要求長電池壽命和高性能的其他產(chǎn)品來說極具吸引力。
 
當(dāng)Intel首次在22nm節(jié)點(diǎn)使用FinFET時,他們聲稱與bulk、PDSOI或FDSOI相比,F(xiàn)inFET在相同的總功耗條件下性能高出37%,或者在相同速度條件下功耗低50%。這些數(shù)據(jù)非常有吸引力,而且在向14nm及更小工藝節(jié)點(diǎn)發(fā)展時還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。
FinFET的性能,功耗和面積優(yōu)勢
圖1. FinFET的性能,功耗和面積優(yōu)勢
 
在使用功耗方面,控制功率泄漏對于平面器件,特別是在較小的節(jié)點(diǎn)來說,已然成為了一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)。通過抬升溝道,包裹溝道四周的柵極,F(xiàn)inFET可以創(chuàng)建一種完全耗盡型溝道,從而克服平面晶體管的漏電流問題。FinFET所具有的更好的溝道控制能力可以用來實(shí)現(xiàn)更低的閾值和供電電壓。
 
雖然漏電流在FinFET中是受控的,但動態(tài)功耗占總功耗的很大部分。與平面晶體管相比,F(xiàn)inFET具有更大的引腳電容,因而會導(dǎo)致更高的動態(tài)功耗值。據(jù)CaviumNetworks描述,“與28nm工藝相比,F(xiàn)inFET的每微米柵極電容提高了66%,與130nm平面節(jié)點(diǎn)的水平相當(dāng)。”平面器件和FinFET器件的柵極電容值比較如圖所示。
與平面工藝相比之下的FinFET柵極電容
圖2:與平面工藝相比之下的FinFET柵極電容。
 
那么這對設(shè)計(jì)工程師來說意味著什么呢?從實(shí)現(xiàn)角度看又會對設(shè)計(jì)流程造成怎樣的改變?動態(tài)功耗(也稱為開關(guān)功耗)在優(yōu)化過程中應(yīng)成為一個代價函數(shù),必須在流程的所有階段加以充分考慮。
 
FinFET增加了物理設(shè)計(jì)流程的復(fù)雜性。更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則和FinFET工藝要求(比如具有電壓閾值意識的間距設(shè)計(jì)、植入層規(guī)則等),都將對綜合、布局、底層規(guī)劃和優(yōu)化引擎施加約束,從而直接影響設(shè)計(jì)的指標(biāo)。同時由于FinFET是在16nm/14nm工藝實(shí)現(xiàn),多重圖案技術(shù)將自動成為使用FinFET的任何設(shè)計(jì)的一部分,這又增加了另一層的復(fù)雜性。
 
針對FinFET的設(shè)計(jì)自動化技術(shù)需要具有FinFET意識,以降低開關(guān)功耗,并提供具有功耗意識的RTL綜合、活動驅(qū)動型布局和優(yōu)化、時鐘樹綜合(CTS)功耗降低以及并行優(yōu)化動態(tài)與泄漏等功能。功耗優(yōu)化需要從設(shè)計(jì)流程的早期開始,架構(gòu)選擇需要具有功耗友好特性,以便確保設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)時具有最低的功耗。
 
數(shù)字實(shí)現(xiàn)過程是從RTL綜合開始的。由于FinFET被應(yīng)用于最新、最大的設(shè)計(jì),RTL綜合引擎必須擁有在合理運(yùn)行時間處理1億個以上門電路的能力。當(dāng)然,它還必須提供高質(zhì)量的結(jié)果,這可以在考慮芯片的所有因素后在全芯片級執(zhí)行RTL綜合來實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行多個具有不同設(shè)計(jì)約束條件的綜合任務(wù)來探索不同設(shè)計(jì)方案也是很有用的。能夠觀察設(shè)計(jì)指標(biāo)如何相互影響有助于在滿足功耗、性能和面積指標(biāo)要求方面做出聰明的折中方案。
 
為了滿足功耗目標(biāo),實(shí)現(xiàn)流程需要從綜合開始并貫穿整個物理設(shè)計(jì)流程,采取一系列的降功耗策略。最常見的策略包括多閾值庫、時鐘選通、多角落/多模式(MCMM)功耗優(yōu)化、引腳交換、寄存器集中、重映射和功率密度驅(qū)動型布局。RTL級功耗分析對于分析和修復(fù)設(shè)計(jì)流程早期出現(xiàn)的功耗問題來說非常重要。
 
在RTL和版圖之間交叉檢測的能力也有助于在設(shè)計(jì)流程早期識別和調(diào)試問題,并最大限度地減小最后一刻才發(fā)現(xiàn)問題的概率。
 
在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)使用FinFET的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具必須在與各家代工廠的緊密合作下得到增強(qiáng)和更新。在代工廠、EDA公司和雙方客戶之間要開展大量的工程技術(shù)合作,以便芯片設(shè)計(jì)人員能夠充分發(fā)揮每種新工藝節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢。
 
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