Bild 1: Am Anfang der Technologiereplikation steht die Lokalisierung der GDSII-Maskendaten des Originalbauteils und deren Übertragung in die Zieltechnologie. (Bild: Rochester Electronics)
Bei ASICs oder Standardprodukten besteht die Technologietranslation aus dem Portieren eines Designs von einem Prozess in einen anderen. Diese Methode ist vergleichbar mit dem Vorgehen eines Halbleiterherstellers, um ein Produkt an verschiedenen Fabrikationsstätten innerhalb des Unternehmens herstellen zu können. Zu Variationen kommt es hierbei aufgrund der Unterschiede bei den Fertigungsverfahren des gleichen Anbieters oder unterschiedlichen Anbietern, durch Änderungen der Geometriemaße oder durch beides. Die traditionelle Translation eines ASICs oder Standardprodukts sieht die Beibehaltung der funktionellen Äquivalenz eines Designs vor, wobei aber der physische Inhalt des Designs über inkrementelle Synthese der Netzliste oder Rückwärtssynthese des Quellcodes gelöscht und anschließend wieder neu aufgebaut wird. Der physische Inhalt umfasst das Zelldesign, die Zellplatzierung auf dem Die, die Ausgangstreiberstärken der Zellen und die verwendeten Leiterbahnen zum Verbinden der Zellen. Diese physikalischen Änderungen haben keinen Einfluss auf die Funktionsweise des Designs, wohl aber auf die gesamte Signaltaktung, Leistung und Die-Größe.
Replikation statt Translation
Eck-Daten
Egal ob ASICs oder andere Standard-Halbleiterprodukte: Sie alle unterliegen Abkündigungen. Gerade bei Geräten mit langen Lebenszyklen ist der Ersatz der Schaltkreise durch exakte Duplikate eine Lösung. Die Technologiereplikation ist hier ein gangbarer Weg, der geringe Risiken birgt. Rochester Electronics beschreibt im Beitrag, wo der Unterschied zwischen einer Replikation und der Translation liegt und wie der Prozess der Technologiereplikation im Detail abläuft: von der Implementierung der Original-Maskendaten, der Querschnittsanalyse eines Musterprodukts, der Fertigung und dem anschließenden Testverfahren.
Rochester Electronics schlägt die sogenannte Technologiereplikation zur Lösung der Abkündigungsproblematik vor. Die Technologiereplikation geht von dem Grundgedanken aus, zwischen zwei Herstellern die gleiche zugrundeliegende Silizium-Performanz zu erzielen. Dabei beginnt die Replikation mit der Auswahl einer Zieltechnologie mit Performanz- und Designmerkmalen, die mit der bisher eingesetzten Technologie weitgehend kompatibel sind, für den Fall, dass die bestehende Technologie nicht mehr zur Verfügung stehen sollte. Wenn dieser Fall eintritt, ist es möglich, durch sorgfältiges Modifizieren standardmäßiger Einstellpunkte wie der Größe der Transistor-Gates und der Leitbahndicken, die Schaltungsperformanz sehr genau zu duplizieren. Durch Anpassung der Transistor-I/U-Kurven und des Leitbahnwiderstands ergeben sich weitgehend übereinstimmende Signalflankenraten und Laufzeitverzögerungen. Ziel ist es, äquivalente Silizium-Performanz über alle Variationen hinweg, einschließlich Prozess, Spannung und Temperatur, zu erreichen.
DDSII-Maskendaten als Ausgangspunkt
Bild 1: Am Anfang der Technologiereplikation steht die Lokalisierung der GDSII-Maskendaten des Originalbauteils und deren Übertragung in die Zieltechnologie. Rochester Electronics
Der Designinhalt wird durch GDSII-Maskendaten in die Zieltechnologie übertragen. GDSII-Maskendaten, analog zur Circuit Card Artwork, repräsentieren die Schichtstrukturen zum Aufbau der Transistoren, Verdrahtungen und Durchkontaktierungen (Bild 1). Auch wenn GSDII-Maskendaten nicht verfügbar sind, lassen sich diese durch Teilabbildungen und/oder schichtweise Dekonstruktion erzeugen. Das Konzept der Technologiereplikation führt die GDSII-Maskendaten weiter und erhält den vollständigen physikalischen Inhalt des Originaldesigns. Physikalische Aspekte wie Zelldesign, Zellplatzierung und Routing bleiben unverändert. Es gibt keine Option für Resynthese oder Place-and-Route, die Verschaltung und Zellpositionen sind identisch.
Bei der Technologiereplikation geht es im Wesentlichen darum, Äquivalenz auf Transistorebene zu erzielen. Die Einstellpunkte sind als geometrische Parameter wiedergegeben und gehen direkt in das GDSII-Design ein. Abmessungen von Silizium- und Metallstrukturen werden entsprechend abgeändert. Alle Änderungen an den Abmessungen erfolgen unter Einhaltung der Vorgaben für die physikalische Entwurfsregelprüfung des Zielanbieters. Typische Anpassungen liegen in einer Größenordnung von 5 bis 10 Prozent, wobei die Mittelpunkte der Komponenten identisch bleiben.
Das Endergebnis der Replikation von ASICs oder Standardprodukten ist eine Komponente, die in Bezug auf Form, Passung und Funktion bis hin zur Transistorebene äquivalent ist. Sie weist die gleiche Die-Größe mit gleichem Gehäuse auf. Aus Sicht der Anbieterbibliothek befindet sich jedes Element (AND, OR, DFF, etc.) in der exakt gleichen relativen Position wie zuvor und jede Leitbahn läuft über den exakt gleichen Pfad. Die Laufzeitverzögerung und die Flankenraten jedes Signals bleiben innerhalb des gleichen Fensters der Prozess- und Umgebungsvarianten wie beim ursprünglichen Produkt.
Ablauf der Replikation
Die Replikation beginnt mit der Identifizierung einer vorhandenen ausgereiften operativen Fertigungslinie mit Parametern, die den Originalparametern des Originalprozesses möglichst nahekommen, für den Fall, dass der Legacy-Prozess nicht verfügbar ist. Für die Produkte Motorola oder Thomson 6802 und andere 8-Bit-NMOS-Produkte wurde beispielsweise ein Legacy-Prozess bei GMCH gefunden.
Anschließend erfolgt die Lokalisierung der ursprünglichen GDSII-Maskendaten. Bei vielen Produkten von Motorola/Freescale und zahlreichen weiteren Herstellern verfügt Rochester Electronics über die Original-GDSII-Maskendaten. Sollten diese nicht vorliegen, ist Rochester in der Lage die Schichten zu dekonstruieren und schichtweise abzubilden, um die Original-GDSII-Datenbank neu zu erzeugen.
Danach erfolgt die Querschnittsanalyse eines Musterproduktes. Dazu gehören die Vermessungen der Leiterbahnbreite, Isolatordicke, Kanallänge und weiterer Parameter und der Vergleich mit der Originalmaske und den ursprünglichen Spezifikationen. Dies erfolgt, um sicherzustellen, dass das Originalprodukt dem Standardprozess entsprechend gebaut wurde und dass keine Änderungen oder Prozessanpassungen nach der Freigabe vorliegen. Diese Analyse bestätigt die Anforderungen des Prozess-Variationsfensters für die Zieltechnologie, wenn der ursprüngliche Prozess nicht verfügbar ist.
Vom Spice-Modell zur fertigen Replik
Die Erfassung empirischer Daten aus den Prozessüberwachungsstrukturen des Originalgeräts umfassen in der Regel Testtransistoren. Die Daten lassen sich heranziehen, um I/U-Kurven zu erzeugen, sie können aber auch noch weit wertvollere und umfassendere Prozessstrukturen enthalten. Als nächstes geschieht die Sicherung von Spice-Modellen für die Zieltechnologie, wenn kein Legacy-Prozess verwendet wird. Für diese Spice-Modelle kommen empirische Daten zum Einsatz, um die Ausrichtung auf die Zieltechnologie zu gewährleisten.
Ist kein Legacy-Prozess verfügbar, erfolgt die Angleichung der Performanz des Spice-Modells an die Performanz des Modells für die Originalkomponente durch die Konfiguration von Standard-Prozessparametern. So lässt sich die Äquivalenz auf Transistor- und Verbindungsebene erreichen. Alle Änderungen müssen die Einschränkungen berücksichtigen, die im Rahmen der Entwurfsregelprüfung (DRC) bei der Zielfertigung aufgestellt werden.
Bild 2: Ist für die Fertigung des Bauelements kein Legacy-Prozess verfügbar, geschieht die Herstellung auf Basis der angepassten Maskendaten. Rochester Electronics
Anschließend beginnt die Fertigung des ASIC- oder Standardprodukts (Bild 2). Ist kein Legacy-Prozess verfügbar, geschieht die Fertigung auf Basis der angepassten GDSII-Maskendaten für den neuen Zielprozess. Zum Schluss erfolgt der Vergleich der elektrischen Kenndaten des bisherigen Schaltkreises mit denen des neuen Produkts. Dies kann schnell und einfach durch den Vergleich der I/U-Kurven der Prozessmonitore von jedem Die, auf dem diese Strukturen vorliegen, erfolgen. Das Endergebnis ist eine vergleichende Analyse zwischen dem Originalprodukt und der getesteten Replik.
Vergleichende Analyse im Detail
Bild 3: Nach der Herstellung erfolgt eine umfassende Vergleichsanalyse und Parameterüberprüfung des neu hergestellten Produkts mit dem Original. Rochester Electronics
Rochester Electronics führt eine umfassende Vergleichsanalyse und Parameterüberprüfung des neu hergestellten Produktes gegenüber dem Original durch (Bild 3). Dieser Prozess erfordert physikalische Prüfungen und Analysen, um zu belegen, dass die nachgebauten Produkte funktionell, elektrisch und mechanisch mit denen aus der OCM-Fertigung kompatibel und austauschbar sind.
Diese Analyse erfolgt für alle Datenbuchparameter, Schwellenwertmessungen, die Signalintegrität, Flankenraten, Stromquellen sowie Stromsenken und Impedanzen, und zwar über alle Spannungs- und Temperaturbedingungen. Hierbei wird abschließend der Nachweis erbracht, dass das nachgebaute Produkt elektrisch identisch zum Original ist. Hierzu verfügt Rochester Electronics über eine Reihe individuell entwickelter Softwaretools mit denen das Datenmanagement und die Analyse für die Produktcharakterisierung und die Berichterstellung zur Vergleichsanalyse vollautomatisch ablaufen können. Eigens zur Vergleichs- und Tendenzidentifizierung mehrerer Datenmengen wurden proprietäre statistische Verfahren entwickelt, die sich für die Produkt- und Zieltechnologie individuell anpassen lassen.
Die vergleichende Analyse und Charakterisierung liefert unter Verwendung von standardmäßigen und proprietären statistischen Techniken detaillierte Resultate und quantifiziert die Übereinstimmung des Originals mit den nachgebauten Produkten. Rochester Electronics hat diesen umfassenden und sorgfältigen Testansatz bereits bei Hunderten von nachgebauten Produkten mit sehr unterschiedlicher Komplexität – vom früher verwendeten Rubylith (7 bis 9 µm) bis hin zu 0,25-µm-CMOS-Technologien – eingesetzt.
Änderungen gemäß Richtlinie D6-82768-1
Die Richtlinie D6-82768-1 definiert unter anderem die Auslegung geringfügiger und wesentlicher Änderungen sowie die Beibehaltung eines Produktionsprozesses. Technologiereplikation hat das Ziel, mithilfe einer Kombination aus analytischen und empirischen Methoden einen grundlegenden Produktionsprozess zu erstellen, der die gleiche Performanz wie der Original-Produktionsprozess aufweist. Kriterien für den Erfolg dieses Prozesses sind die nachweisbare Replikation der Silizium-Performanz und die Beibehaltung des ursprünglichen Prozessvarianzbereiches. Die Einhaltung dieser Kriterien unterscheidet sich nicht von den Freiheiten, über die ein Hersteller bei einer normalen Halbleiterproduktion verfügt. Mit Berücksichtigung von Prozessmargen und die Erstellung eines variationsbeständigen Designs ist gewährleistet, dass der Anbieter das Produkt unter der normalen antizipierten Prozessvariation zuverlässig duplizieren kann. Eine Replikationstechnologie, die die gleichen Merkmale in Bezug auf Performanz und Prozessvarianz aufweist, erfüllt diese Kriterien in gleichem Umfang.
Eine in D6-82768-1 angeführte Form einer wesentlichen Änderung bei einem ASIC- oder Standardprodukt ist eine Netzlisten-Änderung. Das Verfahren der Technologiereplikation sieht jedoch keine Netzlisten-Änderung vor. Es gibt weder funktionelle Änderungen oder Erweiterungen im Design noch Behebungen von Designfehlern. Während des gesamten Replikationsverfahrens bleibt die eigentliche Netzliste unangetastet. Laut der Richtlinie D6-82768-1 liegt unter anderem auch dann eine wesentliche Änderung bei einem ASIC- oder Standardprodukt vor, wenn die Halbleitertechnologie geändert wird. Dies wäre zum Beispiel der Fall bei der Übertragung des ASICs in eine andere Technologiefamilie. Bei der Technologiereplikation bleibt der grundlegende Merkmalsumfang des Designs unverändert und auch die Signalcharakteristik des Bauelements bleibt erhalten.
Der Beitrag beruht auf Unterlagen von Rochester Electronics.
(na)
