世界最小全数字电路 为5 nm及以下半导体技术打开大门

日本东京、横滨,2020年2月10日 --- 东京工业大学工学院和SoC 设计与应用技术领导厂商Socionext Inc.(以下“公司”)展开合作,宣布联合开发并设计了世界上最小的全数字锁相环(PLL)。 PLL是所有数字应用中的关键时钟电路,不断减小其尺寸并提高其性能是实现下一代技术发展的重要基础。

 

人工智能、5G蜂窝通信、物联网等新兴技术有望为社会带来革命性变革。要做到这一点,高性能SoC必不可少。 SoC的核心组成部分是锁相环(PLL),该电路通过与参考振荡器频率同步并输出相同或更高频率的信号。 PLL统一整合时钟信号,通过振荡充当节拍器,为数字设备的稳定运行提供精确的时序参考。

 

为实现高性能SoC,半导体工艺制程变得越来越复杂,如何借由缩小工艺节点来提高芯片性能是目前面临的技术难点。半导体商竞相投入开发更先进的制程来提高市场竞争力。目前,7 nm工艺制程芯片(比10 nm的前代产品有了重大改进)已经投入生产,5nm芯片的研发也早早地提上了日程。

 

然而,要实现更先进制程工艺芯片还存着一些技术瓶颈。现有的PLL需要模拟组件,这些组件通常体积庞大并且难以实现小型化设计。

 

冈田健一教授领导的东京工业大学工学院和Socionext展开合作,通过分数N分频PLL解决了这一技术难题。分数N分频PLL仅需要数字逻辑门,而无需大量的模拟组件,使得新的PLL非常适用在传统集成电路中。

 

冈田教授及其团队使用多种技术降低PLL所需面积、功耗和抖动(传输数字信号时影响性能的时间波动)。 为减小面积,他们采用了环形振荡器(易于缩小的紧凑型振荡器)。同时为减少抖动,使用了“注入锁定”技术降低环形振荡器的相位噪声(信号中的随机波动),它能使振荡器在宽频范围内与外部信号同步时接近振荡器的频率。此外,较低的相位噪声还可降低功耗。

 

分数N分频PLL的设计在许多方面都优于市面上的同类产品。 它以低功耗和小面积实现了最佳抖动性能(如下图1所示)。 冈田教授表示:“该PLL的核心面积仅为0.0036 mm2,整个PLL只拥有一个电源。” 此外,它可以使用标准的数字设计工具进行构建,可实现快速、省力和低成本生产。

 

火拼斗牛在商业落地方面,分数N分频PLL可轻松集成至5nm以下先进制程工艺芯片中,其超高性能和低功耗的特点可以满足人工智能、物联网等最前沿的新兴技术应用。“我们的研究实验证明了分数N分频PLL的潜力。该设计方法还可以应用于设计各种SoC模块,如数据转换器、电源管理电路、无线收发器等模块,大大提高设计生产率,并减少设计成本。” 冈田教授解释说。东京工业大学和Socionext还将在此领域继续展开合作,共同推进电子设备小型化,不断进行技术革新。

 

这项研究工作同时与TeraPixel Technologies Inc。合作进行。

 

参考:

Authors:

Bangan Liu1, Yuncheng Zhang1, Junjun Qiu1, Hongye Huang1, Zheng Sun1, Dingxin Xu1, Haosheng Zhang1, Yun Wang1, Jian Pang1, Zheng Li1, Xi Fu1, Atsushi Shirane1, Hitoshi Kurosu2, Yoshinori Nakane2, Shunichiro Masaki2, Kenichi Okada1

Title of original paper:

A Fully-Synthesizable Fractional-N Injection-Locked PLL for Digital Clocking with Triangle/Sawtooth Spread-Spectrum Modulation Capability in 5 nm CMOS

 

 

Journal:

IEEE Solid-State Circuits Letters

DOI:

10.1109/LSSC.2020.2967744

Affiliations:

1。 Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan

2. Socionext Inc., Yokohama, Japan

*Corresponding author’s email: okada@ee.e.titech.ac.jp

 

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图1:包含PLL的芯片图
整个全数字PLL尺寸仅为50×72 µm2,是迄今为止最小的PLL

 

 

关于东京工业大学

东京工业大学是一所专攻工程技术与自然科学的日本顶尖大学,在材料科学、生物学、计算机科学、物理学等各个领域拥有丰厚的研究成果。 成立于1881年的东京工业大学每年拥有本科生和研究生共计10,000多名学生,培养了许多优秀的工程师、研究人员等。东京工业大学秉持日本“monotsukuri”的精神,即积极开展技术独创性、创新性研究,通过高影响力的研究为社会做出贡献。

 

关于Socionext Inc.

Socionext Inc.是一家新成立的创新型企业,为全球客户设计、开发和提供片上系统(System-on-chip)产品。公司专注于成像、网络和电脑计算等其他能够推动当今尖端应用发展的技术。Socionext集世界一流的专业知识、经验和丰富的IP产品组合,致力于提供高效益的解决方案与更佳的客户体验。Socionext 成立于2015年,总部设在日本横滨,在日本、亚洲、美国和欧洲设有办事处,领导其产品开发和销售。
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