基于AXIe中PCIe高帶寬及多模塊同步數據傳輸的高速圖形傳輸系統

摘要：本文說明如何充分發揮 AXIe平臺的特點，來達成此數千通道同步的嚴格要求。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/170157. htm

關鍵詞：AXIe ；PCIe；同步數據傳輸；高速圖形傳輸

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.005

E-Beam（電子束）微影技術（Lithography）是下一世代無光罩（maskless）半導體制程。通過無光罩微影技術可使微影制程突破目前20奈米或更小制程的限制。E-Beam 微影系統需要使用極高帶寬的數據傳輸系統，將大量集成電路圖案數據，從數據服務器先通過數據傳輸系統解壓縮后，再通過數千條光纖并行傳輸至 E-Beam 機臺，且通道對通道間的時鐘偏移（skew）不得大于 2ns。基于高通道高密度及高數據傳輸帶寬的需求，凌華科技采用AXIe平臺架構來建置E-Beam 數據傳輸系統。

E-Beam 無光罩式微影技術可突破傳統光罩式微影技術的限制。概念上就像一臺超高速的打印機。不同于打印機噴出墨水，E-Beam機臺的電子槍投射出數千組平行電子束，打印至覆蓋有光阻劑的晶圓表面，超過8，000組電子束會通過 MEMS 數組來控制個別電子束的開關，而每個電子束開關的控制命令，則是通過個別的高速光纖輸出通道來做控制，因此會需要超過8，000個光纖輸出通道。為避免控制命令不同步造成電路圖案失真及錯誤，系統整體需求為所有光纖通道間數據的時鐘偏移不能超過 2ns。

可符合經濟效益的產出標準為每小時 10片以上，換句話說每6分鐘要完成一片晶圓。每一個集成電路光罩檔案的數據量可高達 2.5TB，所以另一個挑戰是如何實時的將大量數據通過圖形傳輸系統，再通過8，000組以上光纖通道平行輸出到E-Beam機臺。此數據經系統處理后，可用于控制E-Beam 系統上的電子束控制數組。為滿足這些需求，凌華科技采用基于AXIe系統的FPGA架構解決方案進行數據處理及儲存。

AXIe的優點

E-Beam 系統的硬件設計可確保通道間的時鐘偏移最大不超過 2ns。自外部同步信號產生器開始，低偏移扇形輸出緩沖器（fan-out bufer）即用于外部同步信號產生器之中，做為將工作頻率及同步信號分配到各機箱切換模塊的用途。另外，切換模塊除提供PCIe總線自動切換功能外，也負責切換 STRIG、SYNC及相關頻率信號，將這些同步信號分配到各插槽上的數據傳輸模塊。在數據傳輸模塊方面，除特別注意各頻率及數據信號在PCB上布線都須使用相等路徑長度外，在電路輸出部分也都采用低偏移緩沖器。最后處理過的數據會由Avago 平行光纖發射器 （AFB-810BHZ-TX） 輸出。綜合考慮 FPGA 內部繞線及制程、光纖、連接器及 PCB 路徑等因素后，計算所得的總體通道間時鐘偏移可小于 1ns 以下。

除了跨 10 個機箱下嚴格的通道間歪斜的要求之外，系統還要求能夠實時傳輸大量數據到光纖輸出通道。各圖形傳輸模塊配備四組高性能的FPGA；一顆負責PCIe驅動接口，另外三顆各負責 24 個光纖通道的驅動接口，即單一數據傳輸模塊可提供 72個光纖輸出通道。

集成電路圖案數據先自 RAID 磁盤陣列讀出后加載主板刀鋒服務器的內存，再經由PCIe 總線做直接內存存取（DMA， direct memory access）傳輸到個別的數據傳輸模塊。數據傳輸模塊上的 PCIe FPGA 接收 DMA 數據并存入模塊上的閃存，然后再傳輸到各圖形傳輸 FPGA 對應的 DDR3 內存儲存。圖形傳輸 FPGA 內建有客戶自定的解壓縮算法，解壓縮后的數據會通過光學發射器做同步數據輸出。示意圖請參見圖 5。

其中DDR3 內存切割為兩個區塊，以便實現「乒乓（ping-pong）」技術，也就是可讓大量數據同時間進出內存以優化讀/寫帶寬。各光纖輸出通道的圖形檔案大小可達 300MB，換句話說，一個插滿12張數據傳輸模塊的機箱總共會需約260GB的檔案大小。

先前提到符合經濟效益的產出標準為每6分鐘要完成一片晶圓，所以整體上會需要至少725MB/秒的連續數據帶寬，通過這樣的運作模式，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，以實現少量多樣的高性能產出。

凌華科技基于FPGA架構的AXIe圖形傳輸系統，對于無光罩 E-Beam微影制程應用，提供高效率集成電路圖形數據處理、傳輸，以及數據同步的解決方案，整體系統跨通道間時鐘偏移低于 2ns，且應用AXIe的幾項特色，包含可提供大功率電源、有效散熱及高可靠度及擴充性，可符合實際半導體生產制程的需求。