技術

全客製化方法學

九個階段,每一級閂鎖後才進入下一級,每個階段都有客戶可查閱的證據。

最適合的場景少數幾種元件重複極多次,其能耗或面積足以決定整顆晶片的指標。

何時採用

逐一區塊,選擇最合適的設計方式。

全客製化用於關鍵資料路徑區塊,晶片其餘部分採用標準工具流程。哪個區塊用哪種做法,取決於能耗與面積實際花在哪裡。

示意圖:一顆晶粒,依各區塊的實作方式著色。
  • 電晶體級設計

    為這顆晶片專門設計元件,以電晶體級進行佈局與繞線,包裝成已完成特性化的區塊。用於承載晶片主要能耗或面積的關鍵資料路徑區塊。

  • 專案專用元件

    以晶圓代工廠元件庫為基礎,加入少量為專案製作的元件,與合成邏輯混用。用於能從少數更優元件中受益的區塊。

  • 合成

    使用標準元件庫,自動進行合成與擺置繞線。用於控制邏輯、介面及晶片其餘部分,也是衡量每個客製化區塊的基準線。

電路圖、佈局、萃取與簽核工具貫穿電晶體級設計的每一步。

設計如何走向晶片

五項條件同時成立時,電晶體級設計的回報最高。

  1. 少數幾種元件重複極多次。
  2. 這些元件承載的能耗或面積,足以左右整顆晶片的指標。
  3. 功能足夠穩定,佈局不會推倒重來。
  4. 在同一製程上有合成基準線可供比較。
  5. 專案負擔得起特性化與矽後關聯。

其他情況下,專案專用元件或合成通常是更有效率的選擇。

方法

九個階段,每一級閂鎖後才進入下一級。

管線在下一級取用之前,先把這一級的結果存入暫存器。本方法以同樣的方式對待證據:證據齊備、客戶可以查閱,這一階段才算結束。

  1. 適用性判斷與區塊劃分

    依能耗與面積實際花在哪裡,逐一區塊決定哪些做電晶體級設計,哪些用專案專用元件,哪些維持合成。

    客戶應看到的證據

    • 區塊劃分表:每個區塊的面積與功耗占比,以及選用該設計方式的理由
    • 每個擬客製化區塊的合成基準線
  2. 架構與資料路徑定義

    在繪製任何元件之前,先確定管線深度、位元切片結構、時脈方案與供電目標。

    客戶應看到的證據

    • 可執行的參考模型與測試向量
    • 每個位元切片的延遲、能耗與面積預算,並寫明假設
    • 簽核角落(corner)清單
  3. 電路與元件設計

    在電晶體級設計閂鎖器、正反器與加法器,選定鰭數與臨界電壓類型。

    客戶應看到的證據

    • 電路圖
    • 跨角落的佈局前 SPICE 結果,涵蓋建立時間、保持時間、資料保持與雜訊邊限
    • 蒙地卡羅統計
    • 與晶圓代工廠元件庫對應元件的比較
  4. 依晶圓代工廠規則繪製佈局

    依晶圓代工廠的網格與圖案化規則繪製元件與位元切片,並為繞線工具規劃好接腳存取。

    客戶應看到的證據

    • 無違規的 DRC、LVS、ERC 紀錄,註明工具與規則檔版本
    • 著色與密度結果
    • 列出每一項豁免及其理由
  5. 寄生參數萃取與佈局後模擬

    從實際佈局萃取電阻與電容並重新模擬,讓結果反映佈局,而不是電路圖。

    客戶應看到的證據

    • 延遲與能耗的佈局前、佈局後對照表
    • 所用的寄生參數角落
    • 據此修改佈局的紀錄
  6. K 庫:特性化與模型

    產生數位流程所需的時序、功耗、實體與功能視圖。

    客戶應看到的證據

    • Liberty 檔案,含流程所需的電流源與變異資料
    • LEF 抽象視圖與行為模型
    • 比較模型與 SPICE 的品質報告,註明樣本數與誤差分布
  7. 時脈與供電整合

    把客製化區塊放入晶片,並圍繞它們設計時脈與供電。

    客戶應看到的證據

    • 時脈偏移與抖動的預算及結果
    • 靜態與動態 IR 壓降報告
    • 註明活動率與溫度的電遷移(EM)報告
    • 使用所交付模型的階層式時序分析
  8. 驗證與簽核

    證明電路圖實現了 RTL,再完成全部晶圓代工廠簽核,並為變異與老化留足裕度。

    客戶應看到的證據

    • RTL 與電路圖的等效性報告,註明範圍與排除項目
    • 簽核角落下計入變異的時序結果
    • 老化與自熱裕度報告
    • 已簽署的設計定案(tape-out)檢查清單
  9. 矽後關聯

    量測實際晶片,與模型比較,再把差異回饋到元件庫與裕度中。

    客戶應看到的證據

    • 晶片內監測資料
    • 跨晶圓與製程角落的 Shmoo 圖與 Vmin 分布
    • 實測與模型對照表,註明樣本數

圖示說明各階段證據的類型,僅為示意。涉及晶圓代工廠資料的證據,在晶圓代工廠協議要求時依保密協議提供。

我們做過什麼

台積電 16 nm FinFET 上的兩次設計定案。

從多專案晶圓到 Full Mask,全客製化方法在實際晶片上得到應用。

88核心

多專案晶圓(MPW)共乘

2018 年 11 月

200核心

全套光罩

2019 年 6 月

多專案晶圓樣品的工作電壓

樣品實測工作電壓

0.36 V

遠低於該製程的標稱核心電壓。

運算核心採用全客製化;每顆晶片的其餘部分採用標準工具流程。

工作涵蓋的內容

  • 客製化元件

    運算核心採用客製化的多位元正反器與加法器。

  • 低電壓元件庫

    對晶圓代工廠元件庫做了低電壓 Re-K(重新特性化)。

  • 手工擺置

    運算核心採用手工擺置。

  • 無縫拼接

    核心內的子區塊無縫拼接,不加邊界元件,設計定案時擺置使用率為 95%。

  • 簽核

    在多個角落下完成時序與 IR 壓降簽核。

  • 上電測試

    上電測試由我們的團隊完成,封裝與分析則與外部夥伴協作。

矽後回饋

全光罩晶片的實測結果回饋到後續設計,用於最佳化超低電壓下動態邏輯的元件選擇與保持時間裕度。

7 nm 與 6 nm

作為台積電直接客戶(Direct Account),我們已取得 7 nm FinFET 設計授權,並為頭部 AI 客戶進行了 6 nm AI 全客製化晶片設計。

製程節點

智慧財產權

專利與已登記的電路布局

  • CN111308329B

    中國發明專利

    眾核心晶片的測試與分級。

  • CN111294045B

    中國發明專利

    降低電荷幫浦鎖相迴路的相位雜訊。

  • BS.185572790BS.195600134

    已登記的積體電路電路布局

    登記於公司名下的積體電路電路布局。

需要全客製化設計?

把規格以及能耗與面積的分布寄給我們,我們會回覆您。