摘要：深亚微米asic设计趋势衰退的若干主要原因，分析两种替代asic的器件fpga和结构化asic的长短处，介绍easic公司的新一代 45nm结构化asic中的技术。阐明了深亚微米时代easic结构化asic的路越走越宽。

　　深亚微米asic设计趋势走向衰退

　　设计一款芯片通常需要考虑以下因素：一是产品的性能，包括速度、芯片大小、功耗和可靠性；二是产品成本因素，选择什么工艺、采用什么技术来实现，包括生产制造成本、nre费用和研发成本；第三是市场因素，上市时间，从概念到实现的整个周期时间。在半导体工艺不断升级带来了规模的扩大、速度的提升、芯片价格下降的同时，却遇到一系列难以逾越的障碍：设计流程复杂、生产良率降低、设计周期太长，研发制造费用剧增等等。阻止了摩尔规律的延续。

　　高昂的nre费用、封装测试费用令人望而生畏。90nm芯片的开模费至少是80万美元，65nm芯片的开模费高达200万美元，而45nm芯片的开模费则达到800万美元以上。工艺细化带来的一个挑战是芯片设计技术日益复杂，对eda设计工具的要求也越来越高。面对几百万上千万的门级规模、几百兆上千兆赫兹时钟频率的高密度设计，设计工程师必须考虑更多的不确定因素，自然更容易产生更多的设计反复，导致设计周期越来越长。

　　在传统的asic流程中，设计师通常只负责描述ic的逻辑功能，定义各种物理实现的约束条件：如时序、i/o连接、功能分割、时钟以及信号完整性和功率完整性。晶圆厂负责开发一个实现以下部分的平台：单元库、i/o单元、嵌入式存储单元、硅片制造、封装、封装元件的测试，并将这些经过测试的元件提交给设计工程师。然而，进入dsm之后，硅片的特征结构远远要小于光刻工艺的激光波长，常规的设计规则已经不能适应生产工艺的要求。以往，设计师要面对的设计问题通常是sta时序收敛、ip验证、ip适用性、dft可测试设计。如今，设计工程师在设计验证时经常发现，串扰、开关功耗以及定时收敛等问题更加难以捉摸。信号的完整性、工艺可变性非常棘手。即使满足了设计规则，设计出来的产品往往无法确保能生产出来。造成生产良率上不去的根本原因就在于设计的东西往往无法制造。因此，设计工程师需要在设计的时候考虑对于可制造性的支持。而要做到这点，需要与晶圆厂的密切配合，了解制造工艺、制造规则以及参考参数。这就是所谓的可制造性设计dfm（design for manufacturing）。dfm包括参数良率、系统良率、随机良率、可靠性、测试和诊断的六大设计。这些设计都与晶圆厂的缺陷度、设计测试的有效性有着密切的关系，因而要求设计工程师、工艺工程师、设备工程师与掩模制造工程师通力合作，方能共同完成dfm任务。dfm要求整个半导体产业链的高度合作。而到目前为止，设计界和制造界一直被视作相互独立的两个不同的实体。大多数设计工程师仍然被隔离在制造工艺的复杂性之外，仅使用由代工厂提供的“设计规则”和“推荐使用的规则”来完成设计的drc。

　　所有这些工具成本、人工成本、时间成本、制造成本的猛增也就意味着设计的风险猛增。粗略估计，工艺每升一级，芯片的开发成本至少要翻番，甚至更多。在现阶段，设计一款45nm的芯片要耗资上亿美元。据报道，目前只有amd、altera、ibm、intel、freescale、samsung、sony、nec、matsushita、renesas、qualcomm、toshiba、ti、easic等十几家厂商发布了40/45 nm产品，未来采用32nm甚至22nm的厂商只会越来越少。

　　fpga难以抑制泄漏功耗

　　在asic的替代品中，可编程逻辑器件fpga堪称平民与贵族。说它是平民，是因为不需要掩模，不产生nre费用，入门门槛低，fpga深受广大设计者的欢迎。由于具有高度的灵活性，相对简单的eda工具和设计流程，用户可以方便将fpga器件编程为自己所需要功能的芯片。因此，fpga占据了很多asic的领域，特别是在诸如通信、仪器、工业、军工、航天等许多具有中小批量、多品种特点的市场，取得了骄人的业绩。说它是贵族，是因为fpga用硅片面积来换取灵活性的，天生不足表现为资源利用率低、价格昂贵。fpga中80%的硅片面积被用作布线路由，要多绕许多路径，要过许多用晶体管搭建的开关。将基于sram的查找表lut逻辑单元组成逻辑电路所需要的逻辑层数比asic多。因此，速度远远落后asic。即使到了65nm，fpga在性能上也只能相当于180nm的asic，而成本上与180nm的asic芯片并没有优势。

　　尽管如此，fpga在技术上近20年来发展迅速，向密度更高、速度更快发展，向低成本、低价格的片上系统方向发展，试图拉近与asic的距离。xilinx 已经发布了65nm virtex-5和spartan 3。 altera也发布了65nm stratix iii， 最近又发布了40-nm stratix iv。为了适应多方面应用的需求，fpga也在不断改良架构，包括减少逻辑层次，改进构造块之间的信号互连等。还嵌入了处理器、乘法器、收发器等一些标准单元的硬ip core。

　　不过，fpga碰到了一个难以克服的顽疾--堵不住的泄漏电流、压不低