先进互连架构-X架构之介绍与探讨

X架构是第一套大量运用斜角互连线路的量产型IC设计技术，能降低晶片内部20％的互连或佈线资源，并减少30％的贯孔数量。本文将由X架构的市场现况、厂商运用策略以及该架构的绕线与放置等技术原理，探讨此一新架构对IC设计所产生的种种影响。
@内文:在奈米技术下，减少电路互连延迟（interconnect delay）为决定效能（performance）的最关键因素之一，因此设计全程皆需考虑互连的效应，即以互连为导向之设计流程（interconnect-driven design flow），以达成timing closure及design convergence。除此之外，近几年来半导体大厂纷纷投入大笔经费研究新的制程技术，例如铜制程连线技术等等，更突显出了减少电路互连延迟的重要性。

基本上，减少总线长（wirelength）可以同时减少电路互连延迟，但跟最佳绕线距离（euclidean distance）相比，传统上使用垂直绕线（orthogonal routing）的曼哈顿架构（Manhattan-architecture）却可能会增加总线长。为了克服曼哈顿架构的缺点，X-initiative[1]力推X架构（X-architecture）来解决电路互连延迟的问题。

X架构简介与市场现况
X架构是一个使用对角绕线（diagonal routing）的先进互连架构电路。跟传统使用的曼哈顿架构不同，除了前三层使用垂直绕线外，X架构通常使用第四及第五层绕线来作45及135度的绕线，如(图一)。根据报导，X架构平均可以减少20％的总线长及30％的总贯孔数（via），藉此可同时改善晶片效率、功率与成本。而X架构对EDA软件带来的冲击不只是在绕线方面，在平面规划（floorplan）、置放（placement）、时脉绕线（clock routing）等等步骤上也都要重新研究新的演算法来利用X架构带来的好处。
　

图一　X架构绕线层
　

X Initiative、益华电脑（Cadence）与东芝即曾联合宣佈，东芝推出第一套採用创新X架构所开发的商用系统单晶片（SoC）元件，?X架构写下重大里程碑。X架构是一套大规模整合的新模式，协助业者制造更小、更快的晶片。东芝最新的TC90400XBG 晶片体现X架构的各种效益，提供一套性能强大、小型化、高整合度的解决方案，支援各种新一代数字影片播放与多媒体家庭娱乐方面的应用。
X 架构是针对晶片中细微互连电路开发的新型绕线法，运用对角电路搭配传统的垂直曼哈顿绕线法。这种创新的架构让晶片内的线路大幅减少，并让SoC元件可使用较少的贯孔来连结各个电路层。X架构创造出更上一层楼的元件效能标准，为新一代数字媒体与其它先进消费性产品带来显着的利益。东芝与益华电脑合作开发X架构，并贊助X Initiative，这个组织已号召超过四十家领导厂商，共同建构产品迈入量产所需的设计链，加速X架构迈入商业应用的阶段。

东芝的里程碑晶片TC90400XBG，如(图二)，採用130奈米的制程技术，其设计目标是希望能整合在数字媒体与家庭娱乐的系统。相较于采用传统「曼哈顿」设计流程的东芝同级产品，纳入X架构的新晶片能提供加快11％的速度，及体积缩小10％的随机逻辑元件。新晶片的样本于2004年11月推出，预定于2005年第二季开始量产。东芝的TC90400XBG已争取到第一个客户─这款晶片将整合在多款数字电视中，初期将于欧洲市场发表。
　

图二　TC90400XBG佈线设计图
　

东芝半导体SoC设计部门技术经理Takashi Yoshimori 强调里程碑对于该公司与X计画皆具有极高的重要性，指出东芝透过与益华电脑及多家X Initiative成员合作，开发出业界第一套採用X架构的SoC。该产品能够满足市场对于效能型单晶片解决方案的多元化需求，发展出比传统设计更快、更小的晶片。而透过这套设计流程，东芝也可进一步巩固在SoC市场的地位。

X Initative创始小组成员暨益华电脑新事业筹画部门技术长Aki Fujimura则表示，东芝在X架构扮演统筹者的角色，加速设计方案迈入商业应用阶段，包括开发第一套90奈米功能测试晶片（在2003年于日本举行的CEATEC消费性电子展中发表）。该公司欣见这项设计架构能成为许多主要设计应用，如数字媒体技术的选择，并认为东芝的产品将为X架构的产品化迈入下一阶段奠定基础，使该架构朝向为全球半导体业界广泛採纳的目标迈进。

以下这篇文章，将继续探讨X架构对绕线及置放的影响。

绕线（Routing）
对角绕线并不是在近期才被提出，在早期对角绕线只应用在印刷电路板（printed- circuit board）上去做平面绕线，而在一般IC上只使用jog来作短距离的对角绕线。而在IC制程技术进步后，对角绕线已经可以完全的应用在一般IC绕线上。因此，现在的X架构一般应用在五层以上金属层的晶片上。为了简化一般standard cell、memory compiler及Hard IP上的绕线，第一到第三层的绕线仍是垂直绕线，而第四、五层才使用对角绕线作全面的绕线。

现今大多数的绕线器（router）大多是以格线为主的绕线器（grid-based router），除此之外，大多数的制程在第二到第五层的绕线是使用相同间距（pitch）及线宽（wire width）的，这样做的目的是为了要让贯孔的位置对齐。但是若将第四、五层作对角绕线的话，为了让贯孔的位置对齐，垂直绕线跟对角绕线的交接点必须落在格线上，这样一来，对角绕线间距变成只有（71％）的垂直绕线间距，而违反了最小间距的设计法则（design rule）。而若要同时兼顾接点对齐及最小间距，对角绕线间距需加大到（141％）的垂直绕线间距，如此一来却浪费了可用的绕线空间，如(图三)。因此，若要处理X架构上的绕线问题，最好是用无格线的绕线器（gridless router）来作绕线。无格线的绕线器可以根据制程的设计法则来调整线宽，进而同时兼顾贯孔对齐、最小间距及绕线资源（routing resource）的问题。
　

图三　对角绕线与垂直绕线间距的关系
　

X架构虽然可以减少总线长，进而减少电路连线延迟，但对现今电路连线方面，贯孔的影响也是不容忽视的。一个贯孔产生的延迟，相当于在铝钨制程中50间距的线长，就算是在先进的铜制程中，也相当于有15间距的线长。在X架构上，若大量使用对角绕线的话，可能会造成贯孔的增加。以(图四)为例，图四(a)为在曼哈顿架构下绕线的结果，而图四(b)为在X架构下绕线的结果。虽然图四(b)中的总绕线长度小于图四(a)中的总绕线长度（1+23.828 ＜ 5），但其使用的总贯孔数较多。

为了解决X架构上总贯孔数会增加的问题，先进制程厂便提出了液态绕线（liquid routing）方法来解决这问题。跟传统每一层金属层只能做单一方向绕线的绕线方法不同，液态绕线是指在每一金属层都可以做八方向的绕线，如图图四(c)。藉此，可大大减少总贯孔数，进而改善电路连线延迟所带来的影响。
　

图四　(a)曼哈顿架构绕线；(b)X架构绕线；(c)液态绕线
　

接下来以一个真实的晶片为例，在(图五)(a)中为一使用曼哈顿架构绕线的结果，图五(b)为一使用液态绕线作修改过后的绕线结果。在这个例子中，使用液态绕线所减少的总线长达14％，而总贯孔数更减少到40％，这些都证明了液态绕线在X架构下的确是扮演一重要的角色。
　

图五　(a)曼哈顿架构绕线；(b)液态绕线
　

置放（Placement）
大多现今的放置器（placer）仍是以垂直线长当作其好坏评断标准。因此，对一个由△X及△Y所构成矩形框（bounding box）的两点连线（two-pin net）而言，放置器会试着去对△X+△Y去做最佳化。虽然在一般曼哈顿绕线架构下，纵横比（aspect ratio）不会影响放置器的好坏评断标准（），但在X架构下，纵横比却大大影响了放置结果的好坏。在纵横比为0的情况下，代表着没有使用任何对角绕线，也就是说线长没有任何的改善;而若在纵横比为1的情况下，代表着完全使用对角绕线，而线长也改善了29.3％。而对于一两点连线的线长改善之期望值如下式:

除此之外，我们还可对X架构放置器的线长做进一步的改善。以一个介于A及B两个component之间的两点连线v为例，若v以A为中心，长度为L，那在曼哈顿架构下，B将会落在以A为中心，长度为L的菱型上;若在X架构下，B会落在以A为中心，长度为L的八角型上；如(图六)。
　

图六　X架构放置器 vs. 曼哈顿架构放置器
　

由于此X架构放置器的线长是曼哈顿架构的倍，会对效能等造成影响。因此，我们将B可放置的八角型面积缩小成跟曼哈顿架构的菱形一样大，如(图七)，来减少放置的总线长，进而改善晶片效能。
　

图七　X架构放置器之线长改善
　

结论
X架构是第一套大量运用斜角互连线路的量产型设计技术，能降低晶片内部20％的互连或佈线资源，并减少30％的贯孔数量。在过去20年来，晶片设计一直採用业界标准的「曼哈顿」架构，其名称来自它像城市街道网络般的直角互连线路。X架构将原本曼哈顿架构上第四及第五金属电路层上的互连线路旋转45度。新架构在1至3层上仍旧延用曼哈顿型式，故在单元库（cell libraries）、记忆体单元、编译器、以及IP核心等方面依然保持和现有技术之间的相容性。相信在EDA软体跟制程厂相互配合下，X架构必定能大大改善晶片的效能、功耗及成本。（作者陈少杰为台大电子工程学研究所/台大系统晶片中心研发教授，何宗易为研究生 ）