片上系統(tǒng)及其光刻技術(shù)變革

崔圓圓 北京郵電大學(xué) 電子信息工程專業(yè)， 北京 100876

片上系統(tǒng)及其光刻技術(shù)變革

崔圓圓 北京郵電大學(xué) 電子信息工程專業(yè)， 北京 100876

集成電路的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入片上系統(tǒng)（SOC）時(shí)代。本文系統(tǒng)地分析了集成電路的發(fā)展路徑，著重講述IP核及其重用技術(shù)。相應(yīng)于集成電路的發(fā)展，芯片制造的光刻技術(shù)也發(fā)生了重大的變革，加工精度日益提高。

片上系統(tǒng)；IP重用；光刻技術(shù)

1.集成電路的跨越

從最早的集成電路，到中規(guī)模集成電路（MSI），再到大規(guī)模集成電路（LSI），乃至超大規(guī)模集成電路（VLSI）,后者集成的晶體管數(shù)目，已經(jīng)達(dá)到100,000，促進(jìn)了PC的廣泛應(yīng)用而帶來信息產(chǎn)業(yè)的第一次革命。而這些都是陳舊的知識(shí)了，著名的摩爾定律已經(jīng)把我們送入了特大規(guī)模集成電路（ULSI）的時(shí)代。在一日千里的集成度發(fā)展，離不開日益精細(xì)的半導(dǎo)體器件加工。

伴隨著制造工藝的不斷推進(jìn)，IC芯片設(shè)計(jì)者將越來越復(fù)雜的功能集成在單一的芯片上，集成電路（IC）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧上到y(tǒng)（IS），實(shí)現(xiàn)了整體功能的跨越。

2.認(rèn)識(shí)SOC

2.1 SOC是什么

集成電路加工工藝的飛速發(fā)展，為芯片的性能擴(kuò)展了無限可能。面對(duì)數(shù)量過億的晶體管，如何把它們發(fā)揮到極致，做到“更小、更快、更省電”，是設(shè)計(jì)師們面臨的主要問題。另一方面，數(shù)目龐大的芯片也增加了設(shè)計(jì)難度，畢竟不能每次都從頭開始。正如軟件領(lǐng)域面向?qū)ο蠹夹g(shù)（OOT）的產(chǎn)生一樣，在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域也迫切需要可以能實(shí)現(xiàn)一定功能的具有封裝的模塊，縮短開發(fā)周期，降低工作量，集中精力于創(chuàng)新的部分而不是重復(fù)的工作，以在最短的時(shí)間內(nèi)推出新產(chǎn)品。

單片系統(tǒng)就是在這樣的技術(shù)背景和要求下被提出來的。單片系統(tǒng)又稱為系統(tǒng)級(jí)芯片SOC（System On Chip）。前一個(gè)名稱強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)是在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)，即系統(tǒng)的集成方式。后一個(gè)名稱強(qiáng)調(diào)電路的能力，即在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)具有復(fù)雜功能的系統(tǒng)。SOC在單一硅芯片上實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理和I/O等功能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的功能。它在ASIC（專用集成電路）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，卻與ASIC完全不同，具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。SOC實(shí)現(xiàn)的一個(gè)系統(tǒng)的功能，速度快、集成度高、功耗低。同時(shí)，由于多種功能的集成，整機(jī)成本和體積都大大降低，加快了整機(jī)系統(tǒng)更新?lián)Q代的速度。它的這些優(yōu)點(diǎn)正好順應(yīng)了通信、電腦、消費(fèi)電子產(chǎn)品向輕、薄、短和低功耗發(fā)展的方向，對(duì)于移動(dòng)通信、掌上電腦和多媒體產(chǎn)品的生產(chǎn)廠商有非常大的吸引力，市場(chǎng)需求自然就很大。SOC的發(fā)展正帶動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)的第二次革命。美國、日本和歐洲許多國家的各大半導(dǎo)體公司紛紛加大對(duì)SOC生產(chǎn)線的投資力度，建立新的SOC生產(chǎn)線。

2.2 IP重用

前面已經(jīng)提到過，SOC的善于利用已有的開發(fā)成果以減少重復(fù)性的工作，專注創(chuàng)新。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的就是SOC的關(guān)鍵技術(shù)之一，IP核及其復(fù)用技術(shù)。

2.2.1 IP核的定義

為了加快SOC的芯片設(shè)計(jì)，提高SOC的設(shè)計(jì)效率和可靠性，人們把經(jīng)過驗(yàn)證的IC電路以模塊的形式加入SOC芯片的設(shè)計(jì)，從而簡化整個(gè)設(shè)計(jì)過程，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。這些已驗(yàn)證的可重復(fù)使用的IC模塊就成為IP（Intellectual Property，知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊，有別于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的IP，后者為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的簡稱）。IP也稱為系統(tǒng)宏單元、虛擬部件（VC）或芯核，這種設(shè)計(jì)方法就稱為基于IP模塊的SOC設(shè)計(jì)，或基于核的SOC設(shè)計(jì)。

早在上個(gè)世紀(jì)，IP核技術(shù)就已經(jīng)開始起步了。1994年Motorola發(fā)布的Flex Core系統(tǒng)(用來制作基于68000和PowerPC的定制微處理器)和1995年LSI Logic公司為Sony公司設(shè)計(jì)的SOC,可能是基于IP核完成SOC設(shè)計(jì)的最早報(bào)導(dǎo)。進(jìn)入20世紀(jì)后，這一技術(shù)開始飛速發(fā)展。

2.2.2 IP核的特征

1)可讀性

這一點(diǎn)對(duì)軟核與固核尤為重要。適用方一般不對(duì)硬核作進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化，都是直接使用。而對(duì)于軟核與固核，使用者需要對(duì)IP核進(jìn)行進(jìn)一步的綜合或模擬。因此，必須對(duì)調(diào)用的IP核的功能、算法等有比較詳細(xì)的了解，以便正確使用和充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。一方面，IP核的提供者要采取恰當(dāng)?shù)姆椒枋鲈O(shè)計(jì)，增強(qiáng)可讀性；另一方面要采取必要的措施保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

2)設(shè)計(jì)的衍展性和工藝適應(yīng)性

IP核在定型后，必須具有一定的應(yīng)用范圍，即能適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)應(yīng)用。當(dāng)它被移植到其他的領(lǐng)域時(shí)，不經(jīng)過重大的修改就能發(fā)揮功用。另一方面，采用新工藝時(shí)，IP核也能也微小的改動(dòng)適應(yīng)它。

3)可測(cè)性

在移植時(shí)，對(duì)IP核功能和性能的測(cè)試是必不可少的。不僅能對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，還要在它的應(yīng)用環(huán)境中整體測(cè)試，考察IP核于整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。

4)端口定義標(biāo)準(zhǔn)化

由于使用IP核的第三方并不唯一，其對(duì)端口的設(shè)計(jì)必須有一個(gè)嚴(yán)格的定義，包括：端口信號(hào)的邏輯值、物理值、信號(hào)傳輸功率、傳輸機(jī)制等。已有一些機(jī)構(gòu)在制定開放的標(biāo)準(zhǔn)、IP核的功能評(píng)價(jià)和驗(yàn)證的方案等等，諸如虛擬插座聯(lián)盟（VSIA）和專用領(lǐng)域芯核開發(fā)協(xié)會(huì)（RASIPD）等等。

2.2.3 IP重用的優(yōu)勢(shì)與設(shè)計(jì)流程

通過基于核的設(shè)計(jì)方法，芯片的設(shè)計(jì)從以硬件為中心轉(zhuǎn)向以軟件為中心。芯片的設(shè)計(jì)不再是門級(jí)的設(shè)計(jì)，而是在IP模塊和IP接口級(jí)的設(shè)計(jì)。IP模塊的重用，除了能縮短SOC芯片設(shè)計(jì)的時(shí)間外，還能降低設(shè)計(jì)和制造成本，提高可靠性，因此將會(huì)給IC產(chǎn)業(yè)和電子工業(yè)帶來可觀的商業(yè)利益。并引起IC產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革。可重用的IP模塊越多，設(shè)計(jì)過程的效率就越高。

IP模塊是預(yù)先設(shè)計(jì)好的，并經(jīng)過了預(yù)先的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)者可以把注意力集中于整個(gè)系統(tǒng)，而不必考慮各個(gè)模塊的正確性和性能，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

3.光刻技術(shù)新進(jìn)展

3.1 極紫外線光刻技術(shù)

在深亞微米時(shí)代，芯片尺寸進(jìn)一步縮小，對(duì)傳統(tǒng)的光刻和蝕刻技術(shù)提出了很高的要求。傳統(tǒng)曝光光源在不斷改進(jìn)，并利用波前工程（如移相掩膜、離軸照明移相光源、空間濾波、表面成像技術(shù)等）進(jìn)一步挖掘光學(xué)光刻系統(tǒng)的潛力，使IC技術(shù)提早進(jìn)入了千兆位和千兆赫時(shí)代。然而主流的光學(xué)光刻技術(shù)已接近0. 13um的極限。這是目前業(yè)界最精密的工藝，采用248nm的遠(yuǎn)紫外線。為了突破0.1um，必須采用157nm以下的極紫外線光刻技術(shù)EUVL。

準(zhǔn)確地說，EUVL是光波波長為11～14nm的極端遠(yuǎn)紫外光波，經(jīng)過周期性多層薄膜反射鏡入射到反射掩膜上，再通過有多面反射鏡組成的縮小投影系統(tǒng)，將反射掩膜上的集成電路幾何圖形投影成像到硅片上的光刻膠中，形成集成電路所需要的圖形。EUVL與157nm光學(xué)光刻的原理類似都是用短波波長光和反射投影成像，但是EUVL與光刻最大的區(qū)別是它的成像必須在真空中。因?yàn)槲镔|(zhì)在EUV波段表現(xiàn)出的性質(zhì)與在可見光和紫外光波段截然不同，EUV輻射被所有物質(zhì)包括氣體強(qiáng)烈吸收。但是，還是有很多要解決的關(guān)鍵技術(shù)：

1)極紫外光光源，主要有同步輻射和激光等離子體兩種；

2)新的透鏡材料和超精密光學(xué)元件加工技術(shù)；

3)更高的數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)；

4)解決移相和光學(xué)臨近效應(yīng)矯正等波前工程技術(shù)；

3.2 電子束光刻

電子束光刻技術(shù)具有極高的分辨率，其直寫式曝光系統(tǒng)甚至可以達(dá)到及格納米的加工精度，但效率低就成為了一個(gè)致命的缺點(diǎn)。一些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將光學(xué)分步重復(fù)投影的高效率與電子束的高分辨率結(jié)合起來，以解決這一問題。

3.3 X射線光刻

X射線光刻技術(shù)是以同步輻射環(huán)產(chǎn)生的X射線作為曝光光源的接近式曝光系統(tǒng)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：

1)焦深大，光刻圖形側(cè)壁陡直；

2)無需成本昂貴的光學(xué)投影系統(tǒng)；

3)無散射地產(chǎn)生曝光圖形；

4)對(duì)掩膜上的缺陷不敏感；

5)不存在顯著影響分辨率的物理效應(yīng)。

[1]周端，王國平，顧新.片上系統(tǒng)的技術(shù)與發(fā)展[J].計(jì)算機(jī)工程.2002:28-9

[2]邵洋，單睿，張鐵軍，侯朝煥.基于可配置處理器的SoC系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用.2006:42-26

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.17.008

崔圓圓（1991— ），女，浙江杭州人，北京郵電大學(xué)電子信息工程專業(yè)。