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   摘要：E-Beam（電子束）微影技術(shù)(Lithography)是下一世代無(wú)光罩(maskless)半導(dǎo)體制程。通過(guò)無(wú)光罩微影技術(shù)可使微影制程突破目前20奈米或更小制程的限制。E-Beam 微影系統(tǒng)需要使用極高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將大量集成電路圖案數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)服務(wù)器先通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)解壓縮后，再通過(guò)數(shù)千條光纖并行傳輸至 E-Beam 機(jī)臺(tái)，且通道對(duì)通道間的時(shí)鐘偏移(skew)不得大于 2ns。基于高通道高密度及高數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求，凌華科技采用AXIe平臺(tái)架構(gòu)來(lái)建置E-Beam 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。本文說(shuō)明如何充分發(fā)揮 AXIe平臺(tái)的特點(diǎn)，來(lái)達(dá)成此數(shù)千通道同步的嚴(yán)格要求。

  簡(jiǎn)介

  如上所述，E-Beam 無(wú)光罩式微影技術(shù)可突破傳統(tǒng)光罩式微影技術(shù)的限制。概念上就像一臺(tái)超高速的打印機(jī)。不同于打印機(jī)噴出墨水，E-Beam機(jī)臺(tái)的電子槍投射出數(shù)千組平行電子束，打印至覆蓋有光阻劑的晶圓表面，超過(guò) 8,000組電子束會(huì)通過(guò) MEMS 數(shù)組來(lái)控制個(gè)別電子束的開(kāi)關(guān)，而每個(gè)電子束開(kāi)關(guān)的控制命令，則是通過(guò)個(gè)別的高速光纖輸出通道來(lái)做控制，因此會(huì)需要超過(guò)8,000個(gè)光纖輸出通道。為避免控制命令不同步造成電路圖案失真及錯(cuò)誤，系統(tǒng)整體需求為所有光纖通道間數(shù)據(jù)的時(shí)鐘偏移不能超過(guò) 2ns。

  可符合經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí) 10片以上，換句話說(shuō)每6分鐘要完成一片晶圓。每一個(gè)集成電路光罩檔案的數(shù)據(jù)量可高達(dá) 2.5TB，所以另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何實(shí)時(shí)的將大量數(shù)據(jù)通過(guò)圖形傳輸系統(tǒng)，再通過(guò)8,000組以上光纖通道平行輸出到E-Beam機(jī)臺(tái)。此數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)處理后，可用于控制 E-Beam 系統(tǒng)上的電子束控制數(shù)組。為滿足這些需求，凌華科技采用基于AXIe系統(tǒng)的FPGA架構(gòu)解決方案進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及儲(chǔ)存。

  AXIe的優(yōu)點(diǎn)

  AXIe是基于AdvancedTCA○R（先進(jìn)電信運(yùn)算平臺(tái)）開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)所衍生而來(lái)，針對(duì)高階量測(cè)儀器應(yīng)用新制定的標(biāo)準(zhǔn)。基于AXIe所具備的以下特點(diǎn)，此圖形傳輸同步系統(tǒng)因此選定AXIe作為該系統(tǒng)的解決方案：

• 6U大尺寸板卡面積，提供足夠的空間容納高密度光纖輸出通道電路。
• 每槽可提供高達(dá)200瓦高功率的電源供應(yīng)。
• 有高性能冷卻系統(tǒng)，足以解決高功耗所帶來(lái)的熱能。
• 高速PCIe (PCI Express) 總線架構(gòu)
• 高擴(kuò)展彈性，單一AXIe機(jī)箱可容納1到14個(gè)插槽，而多組機(jī)箱可組成一套大量通道數(shù)的同步系統(tǒng)。
• 硬件平臺(tái)管理功能，包括機(jī)箱管理控制器、智能型平臺(tái)管理控制器以及熱插入的能力。
• 同步化(synchronization)及本地總線(local bus)功能可提供各槽所需的精確頻率。
 
                
                                 圖 1：AXIe 總線分配

  圖形傳輸架構(gòu)

  圖形傳輸系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)模塊、PCIe 轉(zhuǎn)換器模塊、多組數(shù)據(jù)傳輸模塊、14槽 AXIe 機(jī)箱、外接同步信號(hào)產(chǎn)生器以及磁盤(pán)陣列(RAID)系統(tǒng)，如圖2所示。

  在電子束打印期間，計(jì)算機(jī)模塊通過(guò) 6 Gbps 的SAS接口，自數(shù)據(jù)中心(也就是磁盤(pán)陣列系統(tǒng))實(shí)時(shí)的存取集成電路圖文件至系統(tǒng)上的內(nèi)存儲(chǔ)存。PCIe切換器模塊位于分享器插槽(hub slot)，提供PCIe 通道自動(dòng)切換功能，負(fù)責(zé)將儲(chǔ)存于內(nèi)存的集成電路圖文件，通過(guò)PCIe高速數(shù)據(jù)接口傳輸至不同的數(shù)據(jù)傳輸模塊。每個(gè)傳輸模塊均可支持 72 組光纖輸出通道。外部同步信號(hào)產(chǎn)生器則產(chǎn)生一組共同工作頻率及觸發(fā)信號(hào)來(lái)讓多個(gè)機(jī)箱可同步運(yùn)作。

  AXIe 大部分獨(dú)特的功能都被圖形傳輸系統(tǒng)所采用，包括：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及組裝、硬件平臺(tái)管理及監(jiān)控機(jī)制、電源分配機(jī)制、主動(dòng)散熱系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸接口。

  E-Beam系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)為較為復(fù)雜的同步化，須利用 AXIe STRIG 及 SYNC 信號(hào)，如此可確保點(diǎn)觸發(fā)系統(tǒng)達(dá)成規(guī)定的各槽極精確與低抖動(dòng)的同步化。

  通道間時(shí)鐘偏移 (Channel-to-channel skew)

  E-Beam 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)可確保通道間的時(shí)鐘偏移最大不超過(guò) 2ns。自外部同步信號(hào)產(chǎn)生器開(kāi)始，低偏移扇形輸出緩沖器(fan-out buffer)即用于外部同步信號(hào)產(chǎn)生器之中，做為將工作頻率及同步信號(hào)分配到各機(jī)箱切換模塊的用途。另外，切換模塊除提供 PCIe總線自動(dòng)切換功能外，也負(fù)責(zé)切換 STRIG、SYNC及相關(guān)頻率信號(hào)，將這些同步信號(hào)分配到各插槽上的數(shù)據(jù)傳輸模塊。在數(shù)據(jù)傳輸模塊方面，除特別注意各頻率及數(shù)據(jù)信號(hào)在PCB上布線都須使用相等路徑長(zhǎng)度外，在電路輸出部分也都采用低偏移緩沖器。最后處理過(guò)的數(shù)據(jù)會(huì)由Avago 平行光纖發(fā)射器 (AFB-810BHZ-TX) 輸出。綜合考慮 FPGA 內(nèi)部繞線及制程、光纖、連接器及 PCB 路徑等因素后，計(jì)算所得的總體通道間時(shí)鐘偏移可小于 1ns 以下。
 
             
                              圖 2：傳輸系統(tǒng)架構(gòu)
 
                  
                    圖 3：?jiǎn)我?AXIe 機(jī)箱滿載 12 組傳輸器模塊
 
                
                          圖 4：系統(tǒng)頻率圖

  高帶寬圖形傳輸

  除了跨 10 個(gè)機(jī)箱下嚴(yán)格的通道間歪斜的要求之外，系統(tǒng)還要求能夠?qū)崟r(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)到光纖輸出通道。各圖形傳輸模塊配備四組高性能的 FPGA；一顆負(fù)責(zé)PCIe驅(qū)動(dòng)接口，另外三顆各負(fù)責(zé) 24 個(gè)光纖通道的驅(qū)動(dòng)接口，即單一數(shù)據(jù)傳輸模塊可提供 72 個(gè)光纖輸出通道。

  集成電路圖案數(shù)據(jù)先自 RAID 磁盤(pán)陣列讀出后加載主板刀鋒服務(wù)器的內(nèi)存，再經(jīng)由PCIe 總線做直接內(nèi)存存取(DMA, direct memory access)傳輸?shù)絺€(gè)別的數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊上的 PCIe FPGA 接收 DMA 數(shù)據(jù)并存入模塊上的閃存，然后再傳輸?shù)礁鲌D形傳輸 FPGA 對(duì)應(yīng)的 DDR3 內(nèi)存儲(chǔ)存。圖形傳輸 FPGA 內(nèi)建有客戶自定的解壓縮算法，解壓縮后的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)光學(xué)發(fā)射器做同步數(shù)據(jù)輸出。示意圖請(qǐng)參見(jiàn)圖 5：
 
              
                             圖 5：數(shù)據(jù)傳輸方塊圖

  其中DDR3 內(nèi)存切割為兩個(gè)區(qū)塊，以便實(shí)現(xiàn)「乒乓(ping-pong)」技術(shù)，也就是可讓大量數(shù)據(jù)同時(shí)間進(jìn)出內(nèi)存以優(yōu)化讀/寫(xiě)帶寬。各光纖輸出通道的圖形檔案大小可達(dá) 300MB，換句話說(shuō)，一個(gè)插滿12張數(shù)據(jù)傳輸模塊的機(jī)箱總共會(huì)需約260GB的檔案大小。

  先前提到符合經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)為每6分鐘要完成一片晶圓，所以整體上會(huì)需要至少725MB/秒的連續(xù)數(shù)據(jù)帶寬，通過(guò)這樣的運(yùn)作模式，另一組完全不同的晶圓電路圖文件，也可在前片晶圓制作完成前可完成下載，以實(shí)現(xiàn)少量多樣的高性能產(chǎn)出。

  總結(jié)

  凌華科技基于FPGA架構(gòu)的AXIe 圖形傳輸系統(tǒng)，對(duì)于無(wú)光罩 E-Beam 微影制程應(yīng)用，提供高效率集成電路圖形數(shù)據(jù)處理、傳輸，以及數(shù)據(jù)同步的解決方案，整體系統(tǒng)跨通道間時(shí)鐘偏移低于 2ns，且應(yīng)用AXIe的幾項(xiàng)特色，包含可提供大功率電源、有效散熱及高可靠度及擴(kuò)充性，可符合實(shí)際半導(dǎo)體生產(chǎn)制程的需求。

  *AdvancedTCA、Advanced Telecom Computing Architecture以及 PICMG 是 PCI Industrial Manufacturers Group 的注冊(cè)商標(biāo)。