21世紀初，半導體工業將從基于模擬的設計轉向具有更高晶體管密度的數字設計。隨著這種增長，人們還預測模擬將被淘汰，而數字將成為SoC的設計選擇。

目前，隨著晶體管技術縮小到7nm以下，對高速接口（如112gbps或更高）更快接口的要求變得非常重要。在數字領域設計這樣的高速接口是非常具有挑戰性的，因為在先進的技術中，電源電壓隨著功率限制的加強而減小。這些因素對在SoC設計中使用純數字設計電路（如I/O、PLL、DLL等）提出了挑戰。

新興的應用，如人工智能（AI）、高性能計算（HPC）、高速網絡等，在SoCs中增加了多種跨功能的特性。為了實現這些特性，設計人員正在利用RTL邏輯、標準單元設計、物理設計、復雜的DRC規則和雙模式方法中的優化技術。但是這些優化技術在I/O設計方面遇到了困難。因此，工業界迫切需要先進的模擬/混合信號設計技術。

平衡:數字和模擬

早期對聲音、光、溫度、位置、心跳等信號處理的預測僅僅是模擬驅動的，其他的則是數字的，但是在當今的場景中已經不再有效。這是因為規范中提到了嚴格的窄帶限制，因為fop（工作頻率）的順序有所增加。因此，許多應用程序更喜歡模擬頂置設計，而不是數字頂置設計。高級接口如HBM、LPDDR、高速D2D SerDes等都采用了模擬頂層設計。因此，在根據需求和實現確定設計規范之前，模擬和數字之間必須有一個沖突。

模擬設計亞7nm技術:關鍵問題與解決方案

1.低電源電壓

隨著通道長度的縮短，電源電壓將從3.3V降到0.7V，并有望進一步下降。這為晶體管（數字和模擬）施加了更低的過驅動問題。在模擬設計中，通過定義初始條件的預充電節點的實現克服了這一問題，使設計在低過驅動下工作。

2.變化的跨導率

跨導在電壓范圍內不是恒定的，隨著通道長度的減小，偏置成為關鍵的解決方案。在模擬設計中，這個問題通過使用更高的通道長度和顯著的VDS (~3X超速)來解決。這在數字設計中是不可能的，因為我們自動使用最小長度(自動化)。

3.高閾值電壓

與較老的技術節點相比，閾值電壓（VTH）接近電源電壓的50%（較老的節點約為20%）。閾值電壓w.r.t電源電壓的增加在電路設計方面是非常具有挑戰性的，因為可用的電壓很少，所以設計預計將以非常高的速度工作。為了克服較高閾值電壓的影響，基于模擬的設計使用上拉和下拉晶體管。

亞7nm技術設計的實施挑戰與策略

數字化實施挑戰

1.數字化實現基于腳本和自動化。腳本增強并不經常出現，相同的腳本使用的時間更長。腳本所有者的個性化知識在自動化流程中起著關鍵作用。

2.在數字領域實現較小的偏移仍然是一個相當大的挑戰，尤其是50ps的偏移是非常不可能的目標，也是4Gbps及以上高速SoC設計的常見要求目標。

3.數字電視中的EM/IR問題是基于腳本質量的。為了改善IR-drop和/或EM問題，除了基于領域的專業知識外，還必須具備自動化專業知識。

4.在數字技術中，APR工具的應用越來越受到重視，因為對最佳和優化的布局、布線和電源網結構的要求是非常重要的。

高級模擬實現策略

1.預充電方法，使先進的片上架構能夠使用“初始條件”來實現更高的性能。

2.寄生匹配的定制布局有助于實現物理設計和時序閉合的易傾斜/抖動目標。

3.精確的模擬器或系統級SI/PI簽署，用于完整的2.5D SiP。

4.實現和簽核之間的精確關聯，從而導致更快的設計收斂。

5.對路徑延遲、串擾和線延遲的精確預測。

模擬和混合信號-設計挑戰與支持

亞7nm技術的晶體管提高了器件的功能密度，但當涉及到設計模擬電路時，過程是復雜的。這種小型晶體管能承受最高達1V的較小電源電壓。模擬電路的工作要求為+/-5 V（在較舊節點中），其比例可縮小到：（i）3.3 V（ii）1.8 V（iii）1.2 V（iv）0.75 V；預計未來，亞7nm技術技術規模將縮小，未來預測為0.5V甚至0.2V。這種電源電壓的降低不僅影響模擬電路，而且還降低了數字設計的能耗。然而，模擬電路電源電壓的降低增加了其對噪聲/干擾的敏感性，降低了信號質量。此外，由于晶體管的較小，不匹配會導致隨機偏置誤差、更多的閃爍噪聲（1/f）和較差的增益性。

數字和模擬信號交換-必要的

隨著ASIC中wires/mm的日益增加，所有現有的架構和設計技術都停止了工作，因此需要新的設計思路，如為實現更高的速度、為避免串擾而定制設計/布局對節點進行預充電等。

先進技術的縮放技術為模擬電路的設計提供了新的途徑。在納米級工藝中，晶體管將無法處理大電壓，但本質上開關速度非常快。這允許設計者在晶體管級為模擬功能引入不同的信號表示。用延時代替傳統的電壓或電流來表示模擬信息。這為探索新電路提供了一系列機會。

此外，在先進的技術下，即使在處理模擬信息時，切換也會更快。事實上，模擬電路是用傳統的數字塊構建的，比如開關或環形振蕩器。

再次采用工業模擬技術!

模擬電子學領域正在經歷一個非常激動人心的時期。電子領域的數字革命使得模擬變得更加必要。移動設備充滿了模擬接口和模擬傳感器，它們的數量隨著每一代新產品的增加而增加。物聯網(IoT)應用需要大量的傳感器(模擬和數字)進行采集和處理數據，并受到功耗和成本的限制。模擬設計人員解決這種復雜的限制為通過持續革命在行業中產生影響提供了大量機會。

作者:

Santosh Narawade (main author), Jithin K (Co-author), Rahul K (Co-Author)

審核編輯：黃飛