原创 28nm芯片工艺, Xilinx和Altera各执一词

近期, Xilinx和Altera分别在公司召开了28nm工艺新器件发布会。与技术研究该有的严谨不同，对技术成果的展示可以生动活泼。生动活泼之中两家含沙射影的“攻击”让人感叹。

正如她们的发布会礼品都选择Sennheiser一样，她们的28nm工艺都选择了TSMC(台积电)。工艺提高意味着更大的集成度，更低的成本和更好的性能。所以，对工艺的宣传绝对是FPGA厂商的策略之一。在40nm工艺及以前，Xilinx选择的是UMC(台联电)，随着摩尔定律的深入，UMC渐渐跟不上脚步，Xilinx向Altera的老搭档敞开了怀抱。FPGA就是为“差异化”而生的，所以FPGA厂商在宣传时自然不会忘记“差异化”。但是，同一供应商的同一工艺节点，她们如何在宣传上“差异化”呢？

Xilinx:

传统的 FPGA 工艺技术在 28nm 工艺上已经达到了功耗极限，因此也达到了性能极限。问题的根源在于几十年来用于构建 IC 晶体管的多晶/氮氧化硅。为了提高晶体管的速度，半导体工程师一直在随着工艺技术的提高努力减小门介电层的厚度。不过，由于介电层的隧道效应和门本身的漏电流，电介质厚度的减少会导致漏电流增加，这就造成工艺技术每次节点进步都会大幅提升静态功耗。

赛灵思以创新型的三重门极氧化层电路技术成功控制隧道电流效果，从 90nm 工艺到40nm 工艺节点一直都比较成功。不过，就 28nm 工艺而言，门极氧化层太薄了，必须用最新门材料和架构来处理隧道效果。为了控制门下的漏电流 (亚阈值泄漏)，赛灵思工程师在整体晶体管设计过程中进行了审慎权衡。

为了解决28nm工艺问题，赛灵思采用了二氧化铪这种新型门介电材料，该材料的介电常数 (κ) 较高，可减小门极厚度，这就使晶体管不太容易受到隧道电流效应的影响。

举例来说，40nm 工艺使用的二氧化硅 κ 值为 3.9，而 28nm 金属闸技术所用的二氧化铪 κ 值则为 25，这就成为高性能低功耗 28nm 工艺技术的最佳选择 (参见图1)。

赛灵思评估了多种 28nm 工艺技术，其中包括标准的低功耗 (LP) 和高性能 (HP) 工艺，最后决定采用 28nm HKMG 高性能低功耗工艺技术。

28nm 低功耗工艺是多晶/氮氧化硅 40nm 技术的简单升级，风险较低。不幸的是，该技术不适用于 FPGA，因为其晶体管切换速度太慢，性能不够高。与此形成对比的是，28nm 高性能技术专为实现高性能而优化，但又会造成功耗过高，也限制了可用性能 (参见图2)。

28nm 高性能(HP)工艺技术还需要将 HKMG 与 SiGe 应变技术相结合。两种高级技术在制造工艺中相结合，相对于采用 HKMG 和应力衬垫应变技术的更为简单的高性能低功耗 28nm 工艺技术而言会存在更多风险。除了与业界领先公司 UMC 开展 40nm 工艺技术合作之外，赛灵思对多种工艺进行广泛评估之后，现在还与业界两大领先的芯片代工厂台积电和三星电子开展 28nm 工艺合作。台积电和三星电子最能满足赛灵思的新一代 FPGA 产品需求。这两家代工厂的技术都为性能和功率效率进行了平衡优化，可满足确切的产品要求。赛灵思的 28nm 技术与其业经验证的多代工厂战略一致，从而可以加速产品上市进程，保持技术领先地位，同时还能通过不同地理位置的合作减轻供应风险。

Altera:

过渡到小工艺尺寸总是能够提高集成度，性能优于以前的节点，28nm也不例外。28nm工艺具有明显的性能优势，但是，要充分发挥这些优势，需要为28nm工艺创造合适的环境。Altera选择TSMC 28HP高K金属栅极(HKMG)工艺，借助与TSMC的长期合作，优化Stratix V FPGA低功耗工艺。

不仅引入HKMG实现了28nm优异的性能，而且还采用了第二代高级应变技术加速了电路设计，包括晶体管源漏区的嵌入硅锗(SiGe)等技术。Altera通过覆盖层在NMOS晶体管产生拉伸应变，通过源极和漏极的嵌入硅锗在PMOS晶体管产生压缩应变。这些应变硅技术使电子和空穴的移动能力提高了近30%，晶体管性能增强了40%以上。通过应变硅技术在同样泄露的条件下获得了更好的性能，因此，性能的提高抵消了泄露的影响，与没有采用应变硅的工艺相比，提高了工艺性能减少了泄露。其他28nm工艺技术还没有同时结合HKMG和高级应变技术来提高性能。

应该说，Xilinx转向Altera的老搭档看上去颇有几分无奈。可能是Xilinx也没有十二分的把握，所以他选择了SAMSUNG和TSMC两家foundry。塞翁失马，焉知非福，在全世界都笼罩在日本地震中的今天来看，Xilinx的这句“通过不同地理位置的合作减轻供应风险”真是歪打正着。

另外，Altera的“应变硅锗技术”看上去应该不是“使电子和空穴的移动能力提高了近30%”，而是改变了PMOS和NMOS的沟道长度。在发布会上Altera说这是Altera和TSMC长期合作的益处，是产权属于Altera的专利技术。我后来在Altera的官方文档中一直没有找到这样的说法。从Xilinx的表述中看来，是Xilinx觉得这种技术风险高所以没有采用,如果真是Altera的专利技术而且很关键，那估计Xilinx是不会主动提及的。