在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)幾十年的發(fā)展歷程中，對(duì)更高性能、更低功耗與更緊湊設(shè)計(jì)的追求始終是驅(qū)動(dòng)技術(shù)迭代的核心動(dòng)力。如今，這些追求推動(dòng)著制程工藝節(jié)點(diǎn)突破物理極限，正式邁入以2nm及以下工藝節(jié)點(diǎn)為標(biāo)志的埃米級(jí)時(shí)代。

然而，曾支撐行業(yè)持續(xù)進(jìn)步的三大關(guān)鍵縮放定律——摩爾定律（Moore's Law）、登納德縮放定律（Dennard Scaling）與阿姆達(dá)爾定律（Amdahl's Law），已逐漸逼近物理極限。短通道效應(yīng)、漏電流和功率密度問題的疊加，讓芯片在性能提升與能效優(yōu)化上難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的突破，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展正面臨前所未有的瓶頸。

在此背景下，行業(yè)亟需跳出傳統(tǒng)技術(shù)路徑，探索新的技術(shù)架構(gòu)與設(shè)計(jì)方法來破局，而SerDes（串行器/解串器）設(shè)計(jì)作為芯片間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵沫h(huán)節(jié)，其技術(shù)革新尤為關(guān)鍵。在人工智能（AI）、高性能計(jì)算（HPC）以及下一代通信網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)應(yīng)用場(chǎng)景中，數(shù)據(jù)吞吐量呈指數(shù)級(jí)增長，對(duì)SerDes的傳輸速率、能效與可靠性提出了更高要求。

當(dāng)前，F(xiàn)inFET向GAA（全環(huán)繞柵極）晶體管的技術(shù)過渡、背面供電網(wǎng)絡(luò)（BSPDN）的興起，以及3D IC技術(shù)的日趨成熟，成為影響SerDes架構(gòu)演進(jìn)的三大核心趨勢(shì)，它們共同推動(dòng)著SerDes技術(shù)向更高性能、更低功耗、更優(yōu)集成度的方向發(fā)展。

影響SerDes架構(gòu)發(fā)展的三大關(guān)鍵趨勢(shì)

01

從FinFET到GAA的過渡

FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）是目前主流的晶體管技術(shù)，通過獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，以三面包圍晶體管通道來改進(jìn)對(duì)晶體管通道的控制，大幅改善電路控制并減少漏電流，并縮短晶體管的柵長。

而GAA FET則是一種更先進(jìn)的三維結(jié)構(gòu)，柵極完全包圍并包裹著每一個(gè)納米片/納米線溝道，將晶體管通道完全封閉在柵極上，從而提供更好的電氣控制性能。

GAA架構(gòu)可以對(duì)通道提供更好的靜電控制，減少短通道效應(yīng)和漏電流；GAA架構(gòu)的柵極和通道之間表面積的增加，使得晶體管能夠承載更大的驅(qū)動(dòng)電流，從而提高芯片性能；同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還可以針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化GAA架構(gòu)的柵極寬度，實(shí)現(xiàn)功耗和性能平衡。

圖1：從典型FinFET到GAA晶體管的演變。

（圖源：新思科技）

對(duì)于SerDes數(shù)字組件設(shè)計(jì)而言，GAA FET帶來的優(yōu)勢(shì)尤為顯著，能夠有效優(yōu)化其功耗、性能與面積（PPA）指標(biāo)。在低功耗應(yīng)用中，可采用較短的柵極寬度來最大限度地降低功耗；而在高性能系統(tǒng)中，則能通過較長的柵極寬度實(shí)現(xiàn)性能最大化。這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于SerDes IP實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率和更低延遲至關(guān)重要。

然而，GAA FET在為數(shù)字設(shè)計(jì)提供優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也給SerDes中的混合信號(hào)和模擬元件（如I/O器件）帶來了諸多挑戰(zhàn)。

首先，I/O器件通常需要在較高的電壓（如1.2V或1.5V）下工作，這就需要更長的柵極長度和更厚的柵極電介質(zhì)，而這種設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致器件的可靠性問題和性能下降。

其次，為了獲得理想的柵極尺寸，需采用濕法蝕刻與干法蝕刻工藝，這些工藝可能引發(fā)納米級(jí)形變，進(jìn)而會(huì)對(duì)器件的可靠性產(chǎn)生不利影響。

此外，隨著溝道和柵極氧化層厚度的不斷變薄，薄體效應(yīng)會(huì)逐漸凸顯，從而阻礙器件性能的發(fā)揮，這個(gè)問題在高壓應(yīng)用中尤為突出。

02

背面供電網(wǎng)絡(luò)（BSPDN）

在高速SerDes IP設(shè)計(jì)中，電源效率與信號(hào)完整性是決定其實(shí)現(xiàn)所需數(shù)據(jù)傳輸速率的兩大關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)的前端供電網(wǎng)絡(luò)（FSPDN）將電源和信號(hào)資源放置在芯片的同一側(cè)，這種設(shè)計(jì)在晶體管密度較低的工藝節(jié)點(diǎn)能夠滿足需求，但隨著埃米級(jí)時(shí)代晶體管密度的大幅提升，其局限性日益凸顯。

一方面，供電路徑的延長與復(fù)雜化導(dǎo)致電阻增加，引發(fā)明顯的紅外壓降，造成電源效率下降，影響SerDes的穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，電源過孔與信號(hào)過孔的近距離排布會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的耦合效應(yīng)，導(dǎo)致串?dāng)_與信號(hào)干擾問題，大幅降低信號(hào)完整性，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

此外，隨著晶體管數(shù)量的持續(xù)增加，芯片正面用于電源與信號(hào)路由的空間愈發(fā)緊張，可擴(kuò)展性不足的問題逐漸成為制約SerDes性能提升的重要因素。

背面供電網(wǎng)絡(luò)通過解耦電源和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，將電源軌轉(zhuǎn)移至芯片背面，有效解決了前端供電網(wǎng)絡(luò)的諸多痛點(diǎn)。在降低紅外壓降方面，電源軌從芯片正面移至背面后，供電路徑大幅縮短，電阻顯著降低，供電效率得到明顯；在提升功率密度上，背面供電網(wǎng)絡(luò)釋放了芯片正面大量的布線空間，使得設(shè)計(jì)人員能夠在芯片上集成更多的晶體管，提升芯片的功率密度；同時(shí)，電源網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的分離，最大限度地減少了兩者之間的串?dāng)_與干擾，信號(hào)完整性得到顯著改善。

03

向3D集成轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)2D集成模式下，SerDes的所有模塊均集成在同一平面芯片上，這種設(shè)計(jì)在帶寬需求較低的場(chǎng)景下具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。但隨著下游應(yīng)用對(duì)帶寬需求的持續(xù)攀升，為了容納更多的功能模塊與傳輸通道，芯片面積不得不隨之?dāng)U大，這導(dǎo)致了互連延遲的上升與功耗的激增，不僅影響了SerDes的傳輸效率，還加劇了散熱壓力，成為制約SerDes性能進(jìn)一步提升的重要瓶頸。

3D集成技術(shù)通過將多片芯片進(jìn)行垂直堆疊，打破了2D集成的平面限制，為SerDes架構(gòu)帶來了革命性的變革。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)SerDes不同模塊的功能特性與性能需求，將其拆分至不同的芯片層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這種分層設(shè)計(jì)不僅能夠大幅縮小芯片的整體面積，還能顯著縮短模塊之間的互連長度，從而降低互連延遲，提升數(shù)據(jù)傳輸速度。

圖2：從2D到3.5D的多芯片和3D接口IP影響。

（圖源：新思科技）

在3D集成架構(gòu)下，SerDes的數(shù)字組件與模擬組件均受到不同程度的影響。對(duì)于數(shù)字組件而言，互連長度的縮短不僅降低了信號(hào)傳輸?shù)难舆t，還減少了信號(hào)在傳輸過程中的能量損耗，顯著提升了電源效率，使得數(shù)字組件能夠以更低的功耗實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)算性能。

而對(duì)于模擬組件，3D堆疊帶來的挑戰(zhàn)更為突出，芯片層之間的近距離排布容易引發(fā)耦合效應(yīng)，同時(shí)垂直堆疊結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致熱量集中，散熱難度加大，這些問題都需要設(shè)計(jì)人員通過精細(xì)化的布局設(shè)計(jì)，以及散熱方案優(yōu)化，來保障模擬組件的信號(hào)完整性與穩(wěn)定運(yùn)行。

設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO），應(yīng)對(duì)復(fù)雜挑戰(zhàn)的核心策略

隨著埃米級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)的到來，疊加背面供電網(wǎng)絡(luò)與3D集成技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)復(fù)雜性呈指數(shù)級(jí)增長。傳統(tǒng)的“先確定工藝、再進(jìn)行設(shè)計(jì)”的線性流程，由于設(shè)計(jì)與工藝之間缺乏有效的協(xié)同，已無法滿足行業(yè)要求，設(shè)計(jì)工藝協(xié)同優(yōu)化（DTCO）應(yīng)運(yùn)而生。

DTCO通過打破設(shè)計(jì)與工藝之間的壁壘，建立起兩者之間的雙向反饋機(jī)制：一方面，根據(jù)SerDes的設(shè)計(jì)需求，推動(dòng)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，例如調(diào)整晶體管的參數(shù)、優(yōu)化布線工藝等；另一方面，工藝環(huán)節(jié)的技術(shù)參數(shù)與約束條件，又能及時(shí)指導(dǎo)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，確保設(shè)計(jì)方案在實(shí)際工藝中具備可實(shí)現(xiàn)性，最終實(shí)現(xiàn)在PPA指標(biāo)上的最優(yōu)平衡。

由于SerDes具有“數(shù)字-模擬-混合信號(hào)共存”的獨(dú)特特性，且其對(duì)供電穩(wěn)定性、散熱效率以及信號(hào)完整性的敏感度遠(yuǎn)高于普通邏輯電路，因此針對(duì)SerDes應(yīng)用的DTCO需要聚焦更為精準(zhǔn)的策略。

在熱能和功率協(xié)同優(yōu)化方面，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)SerDes的平面布局進(jìn)行全面評(píng)估，最大限度地減少熱點(diǎn)區(qū)域的產(chǎn)生；同時(shí)，還需優(yōu)化硅通孔（TSV）的分布，實(shí)現(xiàn)更高效的熱管理。此外，需要結(jié)合不同應(yīng)用場(chǎng)景下的實(shí)際需求，在功耗與性能之間找到最佳平衡點(diǎn)。

其次，在工藝開發(fā)的初期階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就應(yīng)與代工廠展開緊密協(xié)作，通過聯(lián)合驗(yàn)證確保IP設(shè)計(jì)方案與工藝節(jié)點(diǎn)的兼容性。同時(shí)，執(zhí)行可靠性檢查，包括靜態(tài)老化測(cè)試與動(dòng)態(tài)老化測(cè)試等，全面評(píng)估SerDes在長期運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性與可靠性。

最后，迭代反饋機(jī)制在SerDes DTCO中同樣不可或缺。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)代工廠提供的工藝模型反饋以及早期硅片測(cè)試的結(jié)果，持續(xù)對(duì)SerDes的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化與完善。

新思廣泛IP產(chǎn)品組合，助力SerDes技術(shù)革新與行業(yè)轉(zhuǎn)型

SerDes設(shè)計(jì)的發(fā)展需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案和先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，新思科技憑借其全面且領(lǐng)先的IP產(chǎn)品組合與技術(shù)服務(wù)，成為推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型的重要力量。

新思科技的IP產(chǎn)品矩陣涵蓋了從PCIe 6.0、PCIe 7.0到UALink、224G以太網(wǎng)等全系列高帶寬SerDes IP，同時(shí)還包括UCIe、HBM以及CXL等關(guān)鍵的高性能計(jì)算IP。這些IP產(chǎn)品不僅能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，還能幫助客戶大幅縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)通過經(jīng)過充分驗(yàn)證的IP設(shè)計(jì)，最大限度地降低客戶在芯片集成過程中的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

除了豐富的IP產(chǎn)品，新思科技還提供DTCO等先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，幫助客戶應(yīng)對(duì)埃米級(jí)時(shí)代工藝節(jié)點(diǎn)、背面供電網(wǎng)絡(luò)以及3D集成帶來的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

針對(duì)SerDes設(shè)計(jì)的特殊性，新思科技的DTCO方案能夠?yàn)榭蛻籼峁墓に噧?yōu)化到設(shè)計(jì)調(diào)整的全流程支持，助力客戶實(shí)現(xiàn)SerDes在功耗、性能與面積上的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

新思科技的一系列工具與技術(shù)的結(jié)合，為客戶提供了全方位的支持，助力行業(yè)在埃米級(jí)時(shí)代實(shí)現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)型，同時(shí)滿足人工智能時(shí)代對(duì)芯片性能提出的全新需求。

結(jié)語

埃米級(jí)工藝時(shí)代的到來，標(biāo)志著半導(dǎo)體行業(yè)正式進(jìn)入了突破物理極限、探索技術(shù)新邊界的關(guān)鍵階段。三大傳統(tǒng)縮放定律的失效，雖然給行業(yè)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)，但也催生了GAA晶體管、背面供電網(wǎng)絡(luò)、3D集成等一系列顛覆性技術(shù)，而這些技術(shù)的演進(jìn)又深刻推動(dòng)著如SerDes設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的革新。

SerDes作為芯片間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵?，其性能的提升不僅是突破下游應(yīng)用算力瓶頸的關(guān)鍵，更是支撐人工智能、高性能計(jì)算等新興領(lǐng)域發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在這一過程中，DTCO成為連接工藝與設(shè)計(jì)的橋梁，有效解決了復(fù)雜技術(shù)疊加帶來的難題，而以新思科技為代表的企業(yè)通過提供先進(jìn)的IP產(chǎn)品與設(shè)計(jì)工具，為行業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型提供了有力支撐。