© 2009 Xilinx, Inc. XILINX, the Xilinx logo, Virtex, Spartan, ISE, and other designated brands included herein are trademarks of Xilinx in the United States and other countries.
FlexRay is a licensed trademark of the FlexRay Consortium. PCI, PCIe and PCI Express are trademarks of PCI-SIG and used under license. All other trademarks are the property
ザ イ リ ン ク ス は、次世代の FPGA に高性能かつ低消費電力の 28nm HKMG (High - κ メ タ ル ゲー ト ) プ ロ セ ス テ ク ノ ロ ジ を採用 し 、さ ら に ASMBL™ アーキ テ ク チ ャ を統一す る こ と に よ っ て、 こ れま で以上の性能 と 省電力性を実現す る FPGA を提供 し ます。 卓越 し た集積度 と 帯域幅を可能にす る 28nm FPGA デバ イ ス の登場に よ り 、シ ス テ ム アーキ テ ク ト や設計 者は、 ASSP あ る いは ASIC を使用 し ていた分野に も 完全に プ ロ グ ラ マブルな FPGA を採用で き る よ う にな り ます。
ザ イ リ ン ク ス の 28nm テ ク ノ ロ ジお よ び新 し い アーキ テ ク チ ャ には、 次の よ う な革新的特長があ り ます。
• ほかの高性能 28nm プ ロ セ ス に よ る アプ ロ ーチに比べ、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力が最大 50% 抑制
• 前世代の FPGA に比べ、 シ ス テム レベルの性能が最大 50% 向上
• 前世代の FPGA に比べ、 集積度が 2 倍に拡大 し 、 総消費 電力が最大 50% 削減
本稿では、 半導体業界が市場ニーズ を満たす上で現在直面 し てい る 課題 と 、ザ イ リ ン ク ス が採用 し た 28nm プ ロ セ ス テ ク ノ ロ ジ が こ れ ら に ど の よ う に対応す る かについ て説明 し ま す。 高性能かつ低消費電力のプ ロ セ ス と 革新的な アーキ テ ク チ ャ を組み合わせた次世代の 28nm FPGA は、 低消費電力が 求め ら れ る ア プ リ ケーシ ョ ン と 広帯域幅が求め ら れ る 超ハ イ エ ン ド ア プ リ ケーシ ョ ン の両方に と っ て理想的な選択肢 と な り ます。
ホワ イ ト ペーパー : 28nm テ ク ノ ロ ジ
WP312 (v1.0) 2010 年 2 月 19 日
28nm テ ク ノ ロ ジ を採用 し た ザイ リ ン ク スの次世代 FPGA
By: Susan Chen、Xin Wu、Prabhuram Gopalan
技術面 と コ ス ト 面の課題 : ス タ テ ィ ッ ク消費電力の抑制によ る実用的性能の向上 と シ ス テム消費電力の削減
技術面 と コ ス ト 面の課題 :
ス タ テ ィ ッ ク 消費電力の抑制に よ る実用的性能の向上 と シ ス テム消費電力の削減
IC を多数内蔵 し たシ ス テ ムが広 く 普及 し た今日、消費電力の増大は世界的規模で大 き な問題 と な っ てい ます。 消費電力の増大は環境問題 と し てだけでな く 、 シ ス テ ムの構築お よ び運用 コ ス ト を押 し 上げ る と い う 点で も 問題 と な り ます。過剰な熱を除去す る には、複雑な ヒ ー ト シ ン ク やフ ァ ン を使用 し た り レ ギ ュ レー タ の数を増やすな ど の対策が必要 と な り 、 こ れ ら はいずれ も 資本 コ ス ト (CAPEX) を増大 さ せ る 要 因 と な り ます。 ま た、 デバ イ ス の駆動 と 冷却に必要な電力を合計 し た総消費電力 も 増加す る ため、 運用 コ ス ト (OPEX) も 増大 し ます。 さ ら にシ ス テ ムが過度の高温に さ ら さ れ る と 信頼性が低下 し 、 そのダ ウ ン タ イ ムが増加す る こ と で運用 コ ス ト が一層膨れ上が る こ と にな り ます。
半導体の微細化の傾向は今 も なおムーアの法則に従っ てい ます。半導体プ ロ セ ス テ ク ノ ロ ジの各世代で 集積度は倍増 し 、 低 コ ス ト 化が進んでい ま す。 し か し こ れ ま では、 フ ィ ーチ ャ サ イ ズの微細化 と ス タ テ ィ ッ ク 消費電力の増加は表裏一体 と 考え ら れてお り 、 微細化の メ リ ッ ト が相殺 さ れてい ま し た。 こ の 問題に真っ先に直面 し たのが FPGA 業界です。FPGA 業界は、 性能 と 集積度に対す る 高い顧客ニーズ を 満たすため、半導体業界の中で も 特に最先端のプ ロ セ ス テ ク ノ ロ ジ を積極的に導入 し て き た経緯があ る ためです。 事実、 最先端のプ ロ セ ス を導入 し て も 消費電力の制約に よ っ て集積度 と 回路速度の向上を実 際のシ ス テ ム設計で活か し き れないケース も 少な く あ り ませんで し た。 そ こ で、 ザ イ リ ン ク ス は次世代 シ ス テ ムの設計には 「実用的性能」 の向上が鍵 と な る と 考え ま し た。 実用的性能 と は、 一定の消費電力 の枠内で得 ら れ る デー タ 処理能力 と 定義 さ れ る も のです。 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を削減で き れば、 その 枠内で許容可能なダ イ ナ ミ ッ ク ( ア ク テ ィ ブ) 消費電力が大 き く な り 、 実用的性能が向上 し ます。 その 結果 と し て、 よ り 高い イ ン タ ーフ ェ イ ス帯域幅をサポー ト し た り 、 ロ ジ ッ ク 、 メ モ リ 、DSP 、 あ る いは その他の高度な機能の リ ソ ース を多数、1 つの FPGA に実装 さ せ る こ と が可能 と な り ます。
つま り 、FPGA 設計ではダ イ ナ ミ ッ ク 電力の管理 と 同時に、 性能に寄与 し ない ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 ( リ ー ク 電流) の増加を制御す る こ と が重要 と な り ます。 し か し 現実には、 プ ロ セ ス形状の微細化 と と
も に ス タ テ ィ ッ ク 消費電力は増加の一途を た ど っ てい ま し た。 場合に よ っ ては、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 がダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を上回 る こ と さ え あ り ます (図 1 参照)。
28nm ノ ー ド 以前の FPGA 業界では、電源電圧を下げ る こ と と Multi-Vt 手法 (し き い値電圧の異な る ト ラ ン ジ ス タ を使用す る 技術) を採用す る こ と で消費電力の増大を抑え て き ま し た。 し か し 28nm ノ ー ド では新 し いアプ ロ ーチが必要です。
28nm ノ ー ド で 「実用的性能を高め る 」 と い う 課題に対処す る ため、 ザ イ リ ン ク ス はパー ト ナの TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) 社 と サム ス ンエ レ ク ト ロ ニ ク ス社 と 協力 し 、HKMG を採用 し た高性能かつ低消費電力の 28nm FPGA プ ロ セ ス テ ク ノ ロ ジ を開発 し ま し た。こ の新 し いプ ロ セ ス テ ク ノ ロ ジは、40nm FPGA プ ロ セ ス の開発成果をベース に、 新たに HKMG テ ク ノ ロ ジ を導入 し て消費電力を抑え る こ と に よ り 、 実用的性能を最大限に高めてい ます。
X-Ref Target - Figure 1
図 1 :デバイ ス全体のダ イ ナ ミ ッ ク消費電力 と ス タ テ ィ ッ ク消費電力の推移 100
1
0.01
0.0001
0.0000001
300 250 200 Dynamic
Power Gate
Length
Sub-Threshold Leakage
Gate-Oxide Leakage
100 150
50 0
Normalized Total Device Power Dissipation Physical Gate Length (nm)
WP312_01 _021810
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
Source: Semiconductor Industry Association. The International Technology Roadmap for Semiconductors, 2002 Update.
SEMATECH: Austin, TX, 2002.
28nm FPGA の最適な プ ロ セス テ ク ノ ロ ジ : HKMG 高性能 ・ 低消費電力プ ロ セス
ザ イ リ ン ク ス が選択 し た こ のテ ク ノ ロ ジは FPGA 業界においては比較的珍 し い も のですが、 その他の 28nm プ ロ セ ステ ク ノ ロ ジ よ り も ス タ テ ィ ッ ク 消費電力が大幅に削減 さ れ る ため、 大手 IC サプ ラ イ ヤ 各社が注目 し つつあ り ます。28nm ノ ー ド の場合、 デバ イ ス の総消費電力の大部分を ス タ テ ィ ッ ク 消費 電力が占め る こ と も 珍 し く あ り ません。 し たがっ て、 電力効率を最大限にす る にはプ ロ セ ス テ ク ノ ロ ジ の選択が大 き な鍵を握 り ます。
ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を大幅に削減 し た 28nm FPGA では、 許容可能なダ イ ナ ミ ッ ク (ア ク テ ィ ブ) 消 費電力が大 き く な る ため、 集積度 と 性能を さ ら に向上 さ せ る こ と がで き ます。 こ のため、 よ り 低消費電 力の製品を開発 し た り 、 あ る いは同 じ 消費電力で も 集積度 と 性能を向上 さ せた製品を開発で き る な ど の 柔軟性を設計者に も た ら し ます。
28nm FPGA の最適な プ ロ セス テ ク ノ ロ ジ : HKMG 高性能 ・ 低消費電力プ ロ セス
形状が 28nm にな る と 、 従来の FPGA プ ロ セ ス テ ク ノ ロ ジでは消費電力が限界に達 し 、 つま り は性能 を こ れ以上引 き 上げ る こ と がで き ません。 こ の問題の原因は、 こ れ ま で数十年にわた っ て IC の ト ラ ン ジ ス タ 製造に使用 さ れて き た ポ リ シ リ コ ン ゲー ト と シ リ コ ン酸窒化ゲー ト 絶縁膜 (Poly/SiON) ス タ ッ ク にあ り ます。
ト ラ ン ジ ス タ の動作を高速化す る ため、 半導体エン ジニアはプ ロ セ ス ノ ー ド の微細化に伴っ てゲー ト 絶 縁膜の薄膜化を進めて き ま し た。 し か し ゲー ト 絶縁膜が薄 く な っ た こ と でゲー ト 絶縁膜を介 し た ト ン ネ ル効果 と ゲー ト 直下の リ ー ク 電流が大 き く な り 、 リ ー ク 電流が増え る 結果 と な り ま し た。 こ れ ら の影響 に よ り 、 プ ロ セ ス ノ ー ド の世代が進むに伴っ て ス タ テ ィ ッ ク 消費電力は大幅に増大 し ます。
ザ イ リ ン ク ス は 90nm ノ ー ド で画期的な 「 ト リ プル酸化膜」 回路テ ク ノ ロ ジ を採用 し 、40nm ノ ー ド ま では こ の手法で ト ン ネル電流の抑制に成功 し て き ま し た。 し か し 28nm ノ ー ド ではゲー ト 酸化膜が さ ら に薄 く な る ため、ト ン ネル効果を防 ぐ にはゲー ト 材料 と アーキ テ ク チ ャ を変更す る 必要があ り ます。ゲー ト 直下の リ ー ク 電流 (サブ ス レ ッ シ ョ ル ド リ ー ク) を抑え る ため、 ザ イ リ ン ク ス では ト ラ ン ジ ス タ 設計 において慎重な ト レー ド オ フ を敢行 し ま し た。
28nm ノ ー ド におけ る リ ー ク 電流の問題を解決す る ためにザ イ リ ン ク ス が採用 し たのが、「二酸化ハフ ニ ウ ム」 と 呼ばれ る 新 し いゲー ト 絶縁膜材料です。 こ れは比誘電率 (κ) が高 く 、 ゲー ト 絶縁膜を厚 く で き る ため、 ト ン ネル電流の少ない ト ラ ン ジ ス タ の製造が可能 と な り ます。 た と えば、40nm テ ク ノ ロ ジで 使用 し ていた二酸化シ リ コ ンのκ値は 3.9 ですが、28nm メ タ ルゲー ト テ ク ノ ロ ジの二酸化ハフ ニ ウ ム のκ値は 25 と 大 き く 、28nm ノ ー ド で高性能 と 低消費電力を両立 さ せ る には最適な選択肢であ る と い え ます (図 2 参照)。
X-Ref Target - Figure 2
図 2 :プ ロ セステ ク ノ ロ ジの微細化 と ゲー ト 電流密度の関係 100.000
Poly/SiON
HKMG 10.000
1.000
0.100
0.010
0.001
Process Technology (nm) Current Density (A/cm2)
WP312_02_021710
130 90 65 40 28
パラ ド ッ ク ス を解消 : 高性能 と 低消費電力の両立
ザ イ リ ン ク ス は高性能かつ低消費電力の 28nm HKMG プ ロ セ ス テ ク ノ ロ ジの採用に至 る 過程で、 標準 の低消費電力 (LP) プ ロ セ スや高性能 (HP) プ ロ セ ス な ど い く つかの選択肢を検討 し ま し た。
28nm LP プ ロ セ スは、40nm 世代の Poly/SiON アプ ロ ーチを発展 さ せた も のであ り 、 リ ス ク はそれほ ど 大 き く あ り ません。 し か し ト ラ ン ジ ス タ の ス イ ッ チン グ速度 と 性能が十分ではな く 、FPGA に求め ら れ る 要件を満たす こ と がで き ません。 一方、28nm HP プ ロ セ ス は性能 こ そ高い も のの、 消費電力が増加 し て し ま う ため、 実用的性能は制限 さ れて し ま い ます (図 3 参照)。
さ ら に、28nm HP プ ロ セ ス では HKMG と シ リ コ ンゲルマニ ウ ム (SiGe) 歪み技術を組み合わせ る 必要 があ り ます。 こ の よ う に製造プ ロ セ ス で最先端の技術を 2 種類組み合わせ る こ と には大 き な リ ス ク が伴 い ます。 その点、 高性能かつ低消費電力の 28nm HKMG プ ロ セ ス はシ ンプルな ス ト レ ス リ ニア歪み技 術を使用す る ため、 その リ ス ク が低減 さ れます。
ザ イ リ ン ク ス は 40nm FAGA では世界的な フ ァ ウ ン ド リ の UMC 社 と 提携 し てい ますが、28nm FPGA では さ ま ざ ま なプ ロ セ ス の選択肢を評価検討 し た結果、TSMC 社 と サム ス ン社 と い う 大手シ リ コ ンフ ァ ウ ン ド リ をパー ト ナ と す る こ と に至 り ま し た。 こ れは、 ザ イ リ ン ク ス の次世代 FPGA デバ イ ス に求め ら れ る 要件を考慮 し た場合、 こ の 2 社に ま さ る フ ァ ウ ン ド リ はない と 判断 し たためです。 こ れ ら フ ァ ウ ン ド リ の技術は性能 と 電力効率のバ ラ ン ス に優れてお り 、 製品要件を理想的な形で満たす も のです。 ザ イ リ ン ク ス は 28nm FPGA で も 定評のあ る マルチフ ァ ウ ン ド リ 戦略を踏襲 し 、テ ク ノ ロ ジ リ ーダー と し て の地位を維持 し なが ら 製品の早期市場投入を図っ てい き ます。 ま た、 こ の よ う な ス ト ラ テジは地理的な 分散に よ っ て供給 リ ス ク を低減す る と い う 目的 も 兼ねてい ます。
パラ ド ッ ク ス を解消 :
高性能 と 低消費電力の両立
FPGA は、 オー ト モーテ ィ ブ、 放送、 民生、 産業、 医療、 テ ス ト お よ び計測、 ビデオ、 有線通信、 無線 通信な ど、 幅広い市場の多様な アプ リ ケーシ ョ ン ニーズ を満たす よ う 設計 さ れてい ます。 ザ イ リ ン ク ス は、 こ れ ら の市場の数百社 も の顧客企業か ら の助言を取 り 入れて 28nm FPGA の定義を行い ま し た。 今 回の目標は、 消費電力を 50% 削減す る と 同時にシ ス テ ムの性能を 50% 以上向上 さ せ る こ と にあ り ま し た。
まず、 シ ス テ ムの性能目標を達成す る ため、 ザ イ リ ン ク スは顧客企業 と 緊密に協力 し てシ ス テ ムのアー キ テ ク チ ャ 上のボ ト ルネ ッ ク を洗い出 し 、 その理解に努め ま し た。 こ の結果、 目標 と す る 性能が得 ら れ ていない原因は、 ほぼ例外な く 「外部 イ ン タ ーフ ェ イ ス のボ ト ルネ ッ ク 」 にあ る こ と がわか り ま し た。
顧客企業が要求す る 高い イ ン タ ーフ ェ イ ス デー タ レー ト を達成す る には、 レ イ テ ン シ を抑え、 大 き な ノ イ ズマージ ン を確保す る こ と が重要であ る こ と い う 結論に達 し ま し た。
ザ イ リ ン ク ス は、28nm FPGA で十分な イ ン タ ーフ ェ イ ス性能を実現す る ため、 ク ロ ッ キ ン グテ ク ノ ロ ジ を大幅に改良す る と と も に、 ク リ テ ィ カルなデー タ パ ス の コ ン ポーネ ン ト をハー ド 化す る こ と を選択 し ま し た。 こ の結果、 外部 メ モ リ イ ン タ ーフ ェ イ ス の性能が飛躍的に改善 さ れ、 全体的なシ ス テ ム性能
X-Ref Target - Figure 3
図 3 :同等の性能で 40 nm と 28 nm の相対的なス タ テ ィ ッ ク消費電力を比較 し た結果 Relative Static Power 1.2
1.0
0.5
0.0
WP312_02 _02171
40 nm 28 nm,
High-Perfomance
28 nm, High-Perfomance,
Low Power
~40%
~80%
~100%
Xilinx 40 nm
Alternative 28 nm High-Performance Process Xilinx 28 nm High-Performance, Low-Power Process
パラ ド ッ ク ス を解消 : 高性能 と 低消費電力の両立
高性能マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サの多 く では、 コ アの動作速度が設計上最 も 重要な要素 と な り ます。 こ れに対 し 、FPGA は比較的低い ト グルレー ト で高速にデー タ 処理を実行で き ます。 こ れは、FPGA アーキ テ ク チ ャ に特有の並行処理性能を活用す る こ と で、I/O ラ イ ン レー ト の数分の 1 の ク ロ ッ ク で広帯域のデー タ パ ス を設計で き る ためです。28nm テ ク ノ ロ ジでは、 デバ イ ス の集積度が 2 倍に向上す る こ と に よ っ てパ イ プ ラ イ ン処理 と 並列処理の性能が強化 さ れ、 コ アの性能は さ ら に向上 し ます。同様の傾向 と し て、
マ イ ク ロ プ ロ セ ッ サ も マルチ コ ア化が進んでい ます。 マルチ コ アプ ロ セ ッ サ も 、 各 コ アの動作周波数を 低 く 抑えなが ら 、 動作周波数の高いシ ン グル コ ア プ ロ セ ッ サ よ り も 、 全体 と し ては高い性能を実現 し て い ます。
こ の よ う に、革新的な ク ロ ッ キ ン グ技術 と ク リ テ ィ カルなデー タ パス コ ン ポーネ ン ト のハー ド 化に よ る オンチ ッ プ と オ フチ ッ プのデー タ 移動速度の向上、 そ し て FPGA の コ ア性能の強化に よ り 、 シ ス テ ム全 体の性能が大 き く 改善 さ れます。
高性能 と 低消費電力を両立 し た最適なプ ロ セ ス テ ク ノ ロ ジの選択に加え、28nm FPGA プ ロ セ ス では革 新的な ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グや新 し い配置配線アルゴ リ ズ ム を採用 し て さ ら に消費電力の削減を図っ てい ます。 細粒度の ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ テ ク ノ ロ ジには、 論理式を解析 し て最終結果に無関係な ロ ジ ッ ク の遷移を無効にす る と い う ザ イ リ ン ク ス の特許アルゴ リ ズ ム を用いてい ます。 こ う し て ロ ジ ッ ク の不要な動作を な く す こ と で、 消費電力が平均で 20% 削減 さ れます (図 4 参照)。
こ れ ら の設計 メ ソ ド ロ ジ と ツールの改良に加え、第 5 世代パーシ ャ ル リ コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン な ど の 技術や新 し い統一 さ れた ASMBL アーキ テ ク チ ャ の採用に よ っ て消費電力を さ ら に低減 し 、高い集積度 を実現 し てい ます。
X-Ref Target - Figure 4
図 4 :細粒度の ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ング適用前 と 適用後のロ ジ ッ クの動作 CE
Before:
After:
Input
Input
WP312_04_021610
実証 さ れた メ ソ ド ロ ジ : 28nm FPGA を最短期間で市場に投入
実証 さ れた メ ソ ド ロ ジ :
28nm FPGA を最短期間で市場に投入
こ れ ま でザ イ リ ン ク ス は、 新 し いプ ロ セ ス ノ ー ド への移行時に FPGA を短期間で確実に市場投入 し て き ま し た。 こ れを可能に し て き たのが、 ザ イ リ ン ク ス が長年にわた っ て採用 し て き た テ ク ノ ロ ジ開発 メ ソ ド ロ ジです。 こ の メ ソ ド ロ ジは 20 年以上にわた っ て改良が加え ら れ、 あ ら ゆ る テ ク ノ ロ ジ ノ ー ド で 大 き な成果を残 し て き ま し た。
こ の メ ソ ド ロ ジで最大の特長 と な っ てい る のが、 シ リ コ ン 「テ ス ト ビー ク ル」 を イ ン テ リ ジ ェ ン ト に活 用 し てい る と い う 点です。 こ れに よ っ て、FPGA の製品テープア ウ ト よ り も かな り 前の段階でテ ク ノ ロ ジの量産準備を整え る こ と がで き る よ う にな っ てい ます。 こ の メ ソ ド ロ ジでは、 デバ イ ス の性能、 設計/ プ ロ セ スマージ ン、OCV (On Chip Variatio、 チ ッ プ内ば ら つき)、DFM (Design for Manufacture、 製造 性考慮設計)、 ク リ テ ィ カルブ ロ ッ ク 検証、 プ ロ セ スお よび歩留ま り の安定性、 ダ イ と パ ッ ケージの相互 作用、 そ し て製品の信頼性に至る ま で、 あ ら ゆ る 領域において包括的な検証を実施 し ます。 テ ス ト ビー ク ルの効果を最大限にす る には、 開発プ ロ セ ス中にどれだけのテ ス ト ビー ク ルを導入 し たか と い う 絶対 量を重視す る のではな く 、 デバ イ ス と プ ロ セ ス の量産準備完了ま でのい く つかの節目に合わせて高付加 価値のテ ス ト 回路 と デザ イ ン/IP ブ ロ ッ ク を用意する必要があ り ます。
こ の定評あ る テ ク ノ ロ ジ開発 メ ソ ド ロ ジは 4 つの ス テージで構成 さ れてい ます (図 5 参照)。
ス テージ 1 では、 フ ァ ブパー ト ナか ら テ ク ノ ロ ジ固有のテ ス ト 回路が提供 さ れます。 こ のテ ス ト 回路を 用いて、 新 し いプ ロ セ ス モジ ュ ールの実行、 装置の準備、 材料の組み合わせの評価を行い ます。 た と え ば、40nm 世代 と 28nm HKMG プ ロ セ ス では液浸 リ ソ グ ラ フ ィ と シ リ コ ンゲルマニ ウ ム (SiGe) を使用 し ま し た。ザ イ リ ン ク ス と フ ァ ウ ン ド リ が共同でテ ク ノ ロ ジ タ ーゲ ッ ト を定義お よ び調整を行 う のが こ の ス テージです。
フ ァ ブパー ト ナのテ ス ト 回路だけでな く 、 ザ イ リ ン ク ス で も い く つかのテ ス ト ビー ク ルを共同開発 し ま し た。 こ れは、 ザ イ リ ン ク ス の次世代 FPGA に固有のテ ス ト 回路を用いてデバ イ ス モデルを評価す る も のです。 こ のテ ス ト ビー ク ルを活用す る こ と で、 レ イ ア ウ ト お よ び設計のルールを修正 し 、 予測 さ れ る デバ イ ス/回路の動作 と 製造性を考慮 し てシ ミ ュ レーシ ョ ンモデルを調整で き る よ う にな り ます。
ス テージ 2 では、 高速 ト ラ ン シーバに不可欠な イ ン ダ ク タ やキ ャ パシ タ な ど の RF コ ン ポーネ ン ト 、 お よ び FPGA 素子のセル/ア レ イベース の構造を検証す る テ ス ト ビー ク ルを作成 し ます。
ス テージ 3 では、 回路レベルの FPGA ブ ロ ッ ク ( ブ ロ ッ ク RAM や コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン な ど ) と ハー ド IP モジ ュ ールを テ ス ト ビー ク ルに追加 し ます。 こ れ ら のテ ス ト では、 寄生素子が回路性能に与 え る 影響な ど、 個々の FPGA ブ ロ ッ ク のマ ク ロ レベルの機能 と 性能を評価 し ます。 こ のほか、ESD の 影響を製品開発の初期に特性評価す る ためのテ ス ト 回路 も あ り ます。 こ れ ら テ ス ト ビー ク ルか ら の実験 デー タ を長期にわた っ て継続的に収集 し 、検証す る こ と に よ っ てデバ イ ス モデル と 実際のシ リ コ ンの相 関関係を求め ます。 こ う し て、 性能 と 消費電力の両方を最適化 し た FPGA が得 ら れます。
X-Ref Target - Figure 5
図 5 :テ ス ト ビー ク ル開発の 4 つのス テージ
WP312_05_021810
Stage 1
Stage 2
Stage 3
Stage 4
Process Development/
Joint Technology Definition
Discrete Transistors, RF, and Cell/Array
Product-like Structures Circuit-Level/Hard IP
実証 さ れた メ ソ ド ロ ジ : 28nm FPGA を最短期間で市場に投入
ス テージ 4 では、 ス テージ 3 ま でのすべてのテ ス ト ビー ク ルの主な要素に加え、 代表的な製品回路のテ ス ト 機能を追加 し ます。 た と えば、RAM のテ ス ト では FPGA の製品レ イ ア ウ ト に伴 う ラ ン ダ ム欠陥の デバ ッ グ を行い ますが、 それ以外に も 機能 と 性能を特性評価 し 、 製品の信頼性を早期段階で評価で き る
よ う に し ます。
こ れ ら ス テージの大半 を通 じ 、 ザ イ リ ン ク ス は特許技術のベ ン チマー ク テ ス ト 回路 を用意 し てお り 、 FPGA 専用に開発 さ れた回路 IP をモニ タ リ ン グす る こ と に よ っ て、 プ ロ セ ス フ ィ ーチ ャ ーを検出、 デ バ ッ グ、 最適化 し 、 性能 と 消費電力のバ ラ ン ス を微調整 し てい ます。 こ れ ら モニ タ 回路か ら は、 フ ァ ウ ン ド リ パー ト ナが FPGA 製品のテープア ウ ト 前に製造上の潜在的な問題を見つけて解決 し てい く 上で 役立つ貴重な洞察が得 る こ と がで き ます。 こ の結果、 短期間で歩留ま り が向上 し 、 歩留ま り の予測精度 も 改善 さ れます。 ザ イ リ ン ク ス の独自技術を利用 し た こ れ ら の回路に よ っ て不具合の正確な位置がわか る ため、 問題の診断 と 解決に要す る 時間が大幅に短縮 さ れます。
ザ イ リ ン ク ス の特許技術であ る こ のベンチマー ク テ ス ト 回路 と 統計解析を組み合わせ る と 、 主要なプ ロ セ ス においてマージ ンの限界を示す弱点が容易に特定で き ます。 その他のテ ス ト 回路は、 プ ロ セ ス と デ ザ イ ン コ ーナーの相互作用を特定で き る よ う に全体的な視野に立っ て設計 さ れてお り 、 フ ロ ン ト エン ド ( ト ラ ン ジ ス タ レベル) と バ ッ ク エン ド (配線/絶縁膜) の両方で PVT (プ ロ セ ス、 電圧、 温度) の変動 全体にわた る性能 と 消費電力が早期段階で解析可能 と な り ます。 さ ら に、 代表的な製品回路を FPGA デ バ イ ス内に追加 し 、 テ ス ト ビー ク ル回路か ら 得 ら れた結果を さ ら にデバ ッ グ し て実際の FPGA デバ イ ス と の相関を求め ます (図 6 参照)。
ザ イ リ ン ク ス のテ ク ノ ロ ジ開発プ ロ セ ス は高速アナ ロ グ コ ン ポーネ ン ト に も 大 き な重点を置いてい ま す。 テ ス ト ビー ク ルには、 キ ャ パシ タ や イ ン ダ ク タ な ど の基本的な構成素子だけでな く 、 マルチ PLL オシ レー タ やその他の回路 も ト ラ ン シーバの不可欠な要素 と し て特性評価 さ れてい ます。 オシ レー タ は ト ラ ン シーバの中心部であ り 、 周波数の安定性 と 位相 ノ イ ズに関す る 特性評価を早期の段階で包括的に 行 う 必要があ り ます。 こ のほか、 エ ッ ジ レー ト や反射損失な ど の特性評価 も ト ラ ン シーバ関連のテ ス ト 回路を用いて行われます。 テ ス ト ビー ク ルでは複数の回路を それぞれ近 く に配置 し 、 バ ッ ク エン ド の メ タ ル層 も すべて使用 し て潜在的な結合効果や隣接す る オシ レー タ と の干渉を洗い出 し ます。 こ こ で重要 なのは、 回路を近 く に配置す る と い う 点です。 こ れは、 実際の FPGA デバ イ ス に複数の回路 と バ ッ ク エ ン ド のすべての メ タ ル層があ る 場合 と 、 オシ レー タ と バ ッ ク エン ド の メ タ ル層がそれぞれ 1 つ し かない 場合では特性が ま っ た く 異な る ためです。 こ のデー タ を活用す る こ と に よ り 、 テ ク ノ ロ ジ開発の早期段 階で問題を解決 し 、28nm FPGA の量産準備を短期間で完了す る こ と がで き ます。
ザ イ リ ン ク ス は 2007 年か ら 28nm プ ロ セ ス テ ク ノ ロ ジの開発を進めてお り 、 こ の課程で複数のテ ス ト ビー ク ルを使用 し て次世代 FPGA を短期間で確実に市場投入で き る よ う 取 り 組んで き ま し た。
X-Ref Target - Figure 6
図 6 :欠陥密度の時間推移
WP312_06_021710
Time
Defect Monitor Vehicle FPGA Product
Defect Density
ま と め
ま と め
半導体業界では消費電力が重要な問題 と な っ てい ま すが、FPGA 業界では特に こ れが大 き な関心事 と な っ てい ます。28nm FPGA の開発にあ た り 、 ザ イ リ ン ク ス は新 し いアプ ロ ーチで消費電力の削減を図
り 、 実用的性能の向上を実現 し ま し た。
28nm FPGA では、高性能かつ低消費電力のプ ロ セ ス、革新的アーキテ ク チ ャ 、そ し てデザ イ ン開発ツー ルを組み合わせた全体的な アプ ロ ーチを と る こ と に よ っ て、前世代の FPGA に比べて次の よ う な成果を 達成 し てい ます。
• ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 と ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の増加傾向を抑制し、 総消費電力を 50% 削減
• シ ス テ ムの性能を 50% 向上
• 集積度を 2 倍に向上
こ の結果、ザ イ リ ン ク ス の 28nm FPGA 製品はシ ス テ ムアーキテ ク ト や ロ ジ ッ ク 設計者に画期的な変化 を も た ら す こ と にな り ます。 すなわち、 低消費電力が求め ら れ る アプ リ ケーシ ョ ン (HDTV、 産業用制 御機器、 車載 イ ン フ ォ テ イ ン メ ン ト な ど) や広帯域幅が求め ら れ る 超ハ イ エン ド アプ リ ケーシ ョ ン ( 通信ギア、 高性能 コ ン ピ ュ ーテ ィ ン グ、 ソ フ ト ウ ェ ア無線、 ビデオ処理な ど ) を含め、 幅広い用途に FPGA が活用で き る よ う にな る のです。
改訂履歴
次の表に、 こ の文書の改訂履歴を示 し ます。
Notice of Disclaimer
The information disclosed to you hereunder (the “Information”) is provided “AS-IS” with no warranty of any kind, express or implied. Xilinx does not assume any liability arising from your use of the Information. You are responsible for obtaining any rights you may require for your use of this Information. Xilinx reserves the right to make changes, at any time, to the Information without notice and at its sole discretion. Xilinx assumes no obligation to correct any errors contained in the Information or to advise you of any corrections or updates. Xilinx expressly disclaims any liability in connection with technical support or assistance that may be provided to you in connection with the Information. XILINX MAKES NO OTHER WARRANTIES, WHETHER EXPRESS, IMPLIED, OR STATUTORY, REGARDING THE INFORMATION, INCLUDING ANY WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, OR NONINFRINGEMENT OF THIRD- PARTY RIGHTS.
日付 バージ ョ ン 改訂内容
2010 年 2 月 19 日 1.0 初版 リ リ ース
