是时候该重视DTCO了

随着先进半导体节点尺寸的进一步下降以及工艺越来越复杂，如何最大化先进半导体节点给芯片带来的收益越来越得到重视，相应的电路设计与工艺协同优化（design technology co-optimization，DTCO）也成为了热门概念。本文将分析DTCO的历史，现状以及未来的发展走向。

DTCO的定义

DTCO的定义相当宽泛，任何将半导体工艺和具体电路设计做协同优化的措施都可以成为DTCO。通常来说，常规的半导体芯片设计是在工艺和PDK给定的情况下去优化电路设计，因此，在近几年的语境下，DTCO主要是指如何根据半导体芯片的具体要求去做半导体工艺的相应优化。具体的工艺优化可以包括金属连线的材料，通孔设计，具体的CMOS器件设计（如Fin的优化）等等。

DTCO的惯常做法是Fab在开发新一代工艺时，会使用一些常规的电路设计来评估各种新一代工艺中的选项，从而决定最佳方案。另一方面，Fab也会与合作的Fabless提供早期评估版本的PDK，Fabless使用PDK来设计一些关键电路并评估其性能，并且为Fab来提供反馈以帮助Fab去迭代工艺设计。

DTCO的沿革

根据具体芯片设计的需求去调整工艺的做法其实由来已久。在IDM时期，这样的做法可谓是标准操作，尤其是在针对模拟电路的半导体生产线中，根据电路的需求去调整半导体器件和工艺的设计甚至可以说是不少老牌模拟芯片公司的核心竞争力。

然而，随着摩尔定律和Fabless模式的兴起，根据具体电路去调整工艺相对IDM时代有所减少。这有多方面的原因。

首先，摩尔定律指出了一条非常直接而且可操作性极强的半导体工艺发展路线图。因此，在摩尔定律的黄金时代，DTCO流程能调整的参数并不多。此外，从Fabless的角度来看，因为每过一年多都会有新一代的半导体工艺出现导致性能大幅提升，花大量时间和资源去帮助本代工艺做DTCO优化的收益并不大。最后，晶圆代工模式的一个重要假设就是平台化标准化的工艺设计，因此Fab更倾向于去提供一两套标准的工艺（例如低功耗，高性能等等），而并没有很强的根据客户设计公司的反馈去定制化工艺的意愿。总体来说，在摩尔定律的黄金时代，DTCO更多的起的是评估和验证作用，用来指导工艺设计尤其是Fabless走DTCO流程去指导Fab的工艺设计的成分相对来说较少。

然而，随着摩尔定律的延续越来越有挑战性，开发和使用新一代半导体工艺的成本都越来越高，同时新一代半导体工艺带来的性能提升却越来越小，今天我们看到借助DTCO来尽可能多地优化半导体工艺以及电路设计正在变得越来越热门。在未来，我们甚至会看到系统级别的DTCO（即system-technology co-optimization，STCO），即在常规电路-工艺优化之外额外考虑2.5D/3DIC封装的协同优化。根据顶级半导体研究机构IMEC的分析，DTCO和STCO从10nm开始对于半导体工艺节点进一步演进起的作用来时逐步提升，并逐渐取代之前摩尔定律中的简单减小工艺特征尺寸的模式。

为什么DTCO重要

如前所述，DTCO在摩尔定律受到越来越多挑战的今天，正在变得越来越重要。

从Fab的角度来说，开发新一代的半导体工艺越来越复杂，新一代工艺中可选的选项和参数也越来越多，每一个可选的选项和参数都有自己的优缺点，那么如何决定下一代工艺的具体使用选项和参数，这还是要依靠DTCO。原因很简单，因为最终半导体工艺是要提供给客户使用的，那么具体的工艺选项怎么调整，它的金标准就应该是客户使用下一代工艺的设计是否能满足需求，因此使用客户的具体设计来评估并调整Fab工艺的DTCO正在变得越来越重要。

此外，由于芯片设计的复杂度越来越高，Fab很多时候没有办法使用一些简单地电路设计就去评估不同的工艺选项，而必须越来越多地依赖Fabless客户的反馈来调整工艺。举例来说，在先进半导体工艺中，金属互联线和通孔的电阻正在变得越来越重要，它一方面会影响走线上信号传输的延时，从而造成关键路径延迟上升并决定使用该工艺的芯片的最高时钟频率，而另一方面它也会影响电源连线的IR drop，对于电源完整性造成影响并极大地影响芯片的良率。而这些影响主要都会在客户Fabless的大规模设计中才会体现，Fab由于并不掌握客户的具体芯片设计因此本身并没有能力去全方位地评估这些因素，而必须通过和客户合作去做DTCO来完成评估并决定具体的工艺参数。

从Fabless的角度来看，先进半导体工艺节点的成本越来越高，因此如果计划在新一代半导体工艺节点大批量出货的话当然会希望该工艺节点能满足自己的需求，甚至能为自己的产品量身定做。在今天我们看到了越来越多的大型Fabless和Fab协同做DTCO的案例，而DTCO也成为了越来越热门的关键词。例如，高通在今年VLSI Symposium上发表了自己使用EUV 7nm工艺的骁龙765 SoC中DTCO的案例分析，其中高通通过和Fab合作使用DTCO成功地将处理器的最低电源电压降低了80 mV，从而大大改善了芯片良率以及处理器的能效比。另外，在上个月刚刚结束的IEDM 2020中， DTCO成为了一个核心议程（Focus Session），Intel，IMEC，TSMC等顶级的Fab和半导体研究机构都发表了自己的DTCO研究，其中TSMC的研究正是将DTCO的流程使用在3DIC领域并提升了15%的性能，可见这个领域的发展方兴未艾，未来将会变得越来越重要。

DTCO未来的趋势

我们认为，未来的DTCO将会变得越来越重要。具体来说，DTCO有以下这些趋势值得我们关注。

首先，就是通过DTCO，大型Fabless对于半导体工艺开发将会有越来越多参与度。如前所述，Fab开发下一代半导体工艺的成本越来越高，Fabless使用新一代半导体工艺的成本也越来越高，因此通过DTCO达成Fab和Fabless在新一代半导体工艺上的紧密合作将是降低新一代半导体工艺开发和使用风险的重要举措。从这个意义上，大型Fabless将在下一代半导体工艺的开发中有更多的话语权，未来将会出现越来越多的为大型Fab的核心产品量身定做的专用半导体工艺。从某种意义上说，这样Fab和Fabless的紧密合作使得半导体代工模式正在慢慢地靠拢IDM。

其次，DTCO的范围将不仅仅是半导体工艺，未来将越来越多地考虑半导体先进封装工艺，例如3DIC等。普遍认为3DIC等先进封装技术将会逐渐接过摩尔定律成为下一代半导体工艺演进的核心推力，而由于3DIC的设计中也存在大量的工艺参数并且客户的设计更灵活，因此使用DTCO流程来帮助先进封装技术的设计将会成为主流。

最后，DTCO流程相关的工具链和人才储备也值得我们关注。从工具链角度，如果能有一套环境能打通工艺器件模拟和相关电路设计仿真将会大大简化DTCO的流程，而在这个角度Synopsys的相关工具可以说是最齐全的。从人才角度来说，之前的半导体工艺和半导体电路设计往往是两个泾渭分明的学科，而在未来随着DTCO变得越来越主流，我们可望会看到更多对工艺和电路复合型人才的需求。