芯片毀于噪聲（一）為何噪聲問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重？

過(guò)去，噪聲不過(guò)是主要影響模擬電路的麻煩。如今，噪聲分析不到位可以讓整顆芯片完蛋。

噪聲類型分析正在成為開發(fā)人員必須考慮的首要問(wèn)題，與此同時(shí)，無(wú)論從幅度上還是從時(shí)間軸來(lái)看， 噪聲余量都變得越來(lái)越小。但產(chǎn)業(yè)界素來(lái)因循守舊，不遭受重大損失，沒(méi)有人愿意改弦易轍。目前看，不少公司已經(jīng)在噪聲上栽過(guò)跟頭，因此它們比以往更重視噪聲分析。

雖然“噪聲已經(jīng)成為半導(dǎo)體技術(shù)最重要的問(wèn)題之一”，但現(xiàn)在并沒(méi)有新型噪聲出現(xiàn)，“噪聲影響模擬電路，噪聲也影響數(shù)字電路。”Mentor Graphics 模擬與混合信號(hào)驗(yàn)證產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān) Mick Tegethoff 說(shuō)道。

雖然也許沒(méi)有新型噪聲出現(xiàn)，但噪聲問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重了。“這可以從兩方面來(lái)解釋，”Cadence IP 設(shè)計(jì)部專家 Eric Naviasky 說(shuō)道，“首先，與過(guò)去相比，現(xiàn)在單位面積開關(guān)電流的密度更高，這主要是由于工藝尺寸的縮減，但是去耦電容的密度并未跟隨電流密度一起提升。其次，電流切換速度更快，即 di/dt 時(shí)間更短，di/dt 越短，芯片內(nèi)部的感性部分對(duì)電路的影響就越來(lái)越大。像過(guò)去，開發(fā)人員從不需要考慮 pH 級(jí)電感的效應(yīng)，但現(xiàn)在就需要考慮起來(lái)。”

噪聲容限越來(lái)越低。“我們認(rèn)為，工藝尺寸越小，這個(gè)問(wèn)題會(huì)越大，”Tegethoff 說(shuō)，“供電電壓越來(lái)越低，數(shù)據(jù)速率卻不斷增長(zhǎng)，低功耗又是必要指標(biāo)。”

要處理噪聲，首先要找到噪聲源。“噪聲主要分為兩類，一類是與器件物理性質(zhì)或制造工藝直接相關(guān)的噪聲，一類是外部噪聲。”Synopsys 混合信號(hào)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理 Brain Chen 說(shuō)道，“前一類噪聲包括器件級(jí)熱噪聲、散粒噪聲（shot noise）、感應(yīng)柵噪聲（induced gate noise）、閃爍噪聲（flicker noise）與隨機(jī)電報(bào)噪聲（random telegraph noise），后一類包括襯底噪聲與同步開關(guān)噪聲。

開發(fā)人員對(duì)器件噪聲等越來(lái)越熟悉。“ 工藝進(jìn)入納米級(jí)以后，噪聲源頭從過(guò)去的第二或第三級(jí)效應(yīng)變成了一級(jí)效應(yīng)，特別是晶體管中的熱噪聲和閃爍噪聲。”Tegethoff 解釋。

工藝尺寸縮小使得閃爍噪聲影響越來(lái)越嚴(yán)重。“閃爍噪聲在不同器件之間有很大的差異，”Chen 說(shuō)道，“閃爍噪聲不但對(duì)低頻模擬電路的性能有很大影響，也可能對(duì)高頻模擬電路產(chǎn)生重大影響，例如上變頻用的振蕩器相位噪聲就會(huì)受到閃爍噪聲影響。”

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