技术

全定制方法学

九个阶段,每一级锁存后才进入下一级,每个阶段都有客户可查阅的证据。

最适合的场景少数几种单元重复极多次,其能耗或面积足以决定整颗芯片的指标。

何时采用

逐个模块,选择最合适的设计方式。

全定制用于关键数据通路模块,芯片其余部分采用标准工具流程。哪个模块用哪种做法,取决于它的能耗和面积实际花在哪里。

示意图:一颗芯片,按各模块的实现方式着色。
  • 晶体管级设计

    为这颗芯片专门设计单元,晶体管级版图与走线,封装成完成特征化的模块。用于承载芯片主要能耗或面积的关键数据通路模块。

  • 项目专用单元

    以晶圆厂单元库为基础,加入少量为项目定制的单元,与综合逻辑混用。用于能从少数更优单元中受益的模块。

  • 综合

    使用标准单元库,自动综合与布局布线。用于控制逻辑、接口及芯片其余部分,也是衡量每个定制模块的基线。

电路图、版图、提取和签核工具贯穿晶体管级设计的每一步。

设计如何走向芯片

五项条件同时成立时,晶体管级设计的回报最高。

  1. 少数几种单元重复极多次。
  2. 这些单元承载的能耗或面积,足以左右整颗芯片的指标。
  3. 功能足够稳定,版图不会推倒重来。
  4. 在同一工艺上有综合基线可供对比。
  5. 项目负担得起特征化与硅后关联。

其他情况下,项目专用单元或综合通常是更高效的选择。

方法

九个阶段,每一级锁存后才进入下一级。

流水线在下一级取用之前,先把上一级的结果存入寄存器。本方法以同样的方式对待证据:证据齐备、客户可以查阅,这一阶段才算结束。

  1. 适用性判断与模块划分

    逐个模块决定哪些做晶体管级设计,哪些用项目专用单元,哪些保持综合,依据是能耗和面积实际花在哪里。

    客户应看到的证据

    • 模块划分表:每个模块的面积与功耗占比,以及选用该设计方式的理由
    • 每个拟定制模块的综合基线
  2. 架构与数据通路定义

    在绘制任何单元之前,先确定流水深度、位片结构、时钟方案和供电目标。

    客户应看到的证据

    • 可执行的参考模型与测试向量
    • 每个位片的延迟、能耗与面积预算,并写明假设
    • 签核工艺角清单
  3. 电路与单元设计

    在晶体管级设计锁存器、触发器和加法器,选定鳍数与阈值电压类型。

    客户应看到的证据

    • 电路图
    • 跨工艺角的前仿真 SPICE 结果,覆盖建立时间、保持时间、数据保持和噪声容限
    • 蒙特卡洛统计
    • 与晶圆厂单元库对应单元的对比
  4. 按晶圆厂规则绘制版图

    按晶圆厂的网格与图形化规则绘制单元和位片,并为布线工具规划好引脚可达性。

    客户应看到的证据

    • 无违例的 DRC、LVS、ERC 日志,注明工具与规则文件版本
    • 着色与密度结果
    • 列出每一项豁免及其理由
  5. 寄生参数提取与后仿真

    从实际版图提取电阻和电容并重新仿真,让结果反映版图,而不是电路图。

    客户应看到的证据

    • 延迟与能耗的前仿真、后仿真对照表
    • 所用的寄生参数工艺角
    • 据此修改版图的记录
  6. K 库:特征化与模型

    生成数字流程所需的时序、功耗、物理与功能视图。

    客户应看到的证据

    • Liberty 文件,含流程所需的电流源与偏差数据
    • LEF 抽象视图与行为模型
    • 模型与 SPICE 对比的质量报告,注明样本量与误差分布
  7. 时钟与供电集成

    把定制模块放入芯片,并围绕它们设计时钟与供电。

    客户应看到的证据

    • 时钟偏斜与抖动的预算及结果
    • 静态与动态 IR 压降报告
    • 注明活动率与温度的电迁移报告
    • 使用所交付模型的层次化时序分析
  8. 验证与签核

    证明电路图实现了 RTL,再完成全部晶圆厂签核,并为工艺偏差与老化留足裕量。

    客户应看到的证据

    • RTL 与电路图的等价性报告,注明范围与排除项
    • 签核工艺角下计入偏差的时序结果
    • 老化与自热裕量报告
    • 签字的流片检查清单
  9. 硅后关联

    测量实际芯片,与模型比较,再把差异反馈到单元库和裕量中。

    客户应看到的证据

    • 片上监测数据
    • 跨晶圆与工艺角的 Shmoo 图和 Vmin 分布
    • 实测与模型对照表,注明样本量

图示说明各阶段证据的类型,仅为示意。涉及晶圆厂资料的证据,在晶圆厂协议要求时按保密协议提供。

我们做过什么

台积电 16 nm FinFET 上的两次流片。

从多项目晶圆到 Full Mask,全定制方法在实际芯片上得到应用。

88核

多项目晶圆(shuttle)

2018 年 11 月

200核

全套掩膜

2019 年 6 月

多项目晶圆样片的运行电压

样片实测运行电压

0.36 V

远低于该工艺的标称核心电压。

运算核心采用全定制;每颗芯片的其余部分采用标准工具流程。

做过的工作

  • 定制单元

    运算核心采用了定制的多比特触发器与加法器。

  • 低电压单元库

    对晶圆厂单元库做了低电压 Re-K(重特征化)。

  • 手工布局

    运算核心采用手工布局。

  • 无缝拼接

    核内子模块无缝拼接,不加边界单元,流片时布局利用率为 95%。

  • 签核

    在多个工艺角下完成了时序与 IR 压降签核。

  • 回片调试

    回片调试由我们的团队完成,封装与分析则与外部伙伴协作。

硅后反馈

全掩膜芯片的实测结果反馈到后续设计,用于优化超低电压下动态逻辑的单元选择与保持时间裕量。

7 nm 与 6 nm

作为台积电直接客户(Direct Account),我们已获得 7 nm FinFET 设计授权,并为头部 AI 客户进行了 6 nm AI 全定制芯片设计。

工艺节点

知识产权

专利与集成电路布图设计登记

  • CN111308329B

    中国发明专利

    众核芯片的测试与分档。

  • CN111294045B

    中国发明专利

    降低电荷泵锁相环的相位噪声。

  • BS.185572790BS.195600134

    已登记的集成电路布图设计

    登记在公司名下的集成电路布图。

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