摘要：本文说明如何充分发挥 AXIe平台的特点，来达成此数千通道同步的严格要求。本文网络版地址：http：//.cn/article/170157. htm
关键词：AXIe ；PCIe；同步数据传输；高速图形传输
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.005
E-Beam（电子束）微影技术（Lithography）是下一世代无光罩（maskless）半导体制程。通过无光罩微影技术可使微影制程突破目前20奈米或更小制程的限制。E-Beam 微影系统需要使用极高带宽的数据传输系统，将大量集成电路图案数据，从数据服务器先通过数据传输系统解压缩后，再通过数千条光纤并行传输至 E-Beam 机台，且通道对通道间的时钟偏移（skew）不得大于 2ns。基于高通道高密度及高数据传输带宽的需求，凌华科技采用AXIe平台架构来建置E-Beam 数据传输系统。
E-Beam 无光罩式微影技术可突破传统光罩式微影技术的限制。概念上就像一台超高速的打印机。不同于打印机喷出墨水，E-Beam机台的电子枪投射出数千组平行电子束，打印至覆盖有光阻剂的晶圆表面，超过8，000组电子束会通过 MEMS 数组来控制个别电子束的开关，而每个电子束开关的控制命令，则是通过个别的高速光纤输出通道来做控制，因此会需要超过8，000个光纤输出通道。为避免控制命令不同步造成电路图案失真及错误，系统整体需求为所有光纤通道间数据的时钟偏移不能超过 2ns。
可符合经济效益的产出标准为每小时 10片以上，换句话说每6分钟要完成一片晶圆。每一个集成电路光罩档案的数据量可高达 2.5TB，所以另一个挑战是如何实时的将大量数据通过图形传输系统，再通过8，000组以上光纤通道平行输出到E-Beam机台。此数据经系统处理后，可用于控制E-Beam 系统上的电子束控制数组。为满足这些需求，凌华科技采用基于AXIe系统的FPGA架构解决方案进行数据处理及储存。
AXIe的优点
E-Beam 系统的硬件设计可确保通道间的时钟偏移最大不超过 2ns。自外部同步信号产生器开始，低偏移扇形输出缓冲器（fan-out bufer）即用于外部同步信号产生器之中，做为将工作频率及同步信号分配到各机箱切换模块的用途。另外，切换模块除提供PCIe总线自动切换功能外，也负责切换 STRIG、SYNC及相关频率信号，将这些同步信号分配到各插槽上的数据传输模块。在数据传输模块方面，除特别注意各频率及数据信号在PCB上布线都须使用相等路径长度外，在电路输出部分也都采用低偏移缓冲器。最后处理过的数据会由Avago 平行光纤发射器 （AFB-810BHZ-TX） 输出。综合考虑 FPGA 内部绕线及制程、光纤、连接器及 PCB 路径等因素后，计算所得的总体通道间时钟偏移可小于 1ns 以下。
除了跨 10 个机箱下严格的通道间歪斜的要求之外，系统还要求能够实时传输大量数据到光纤输出通道。各图形传输模块配备四组高性能的FPGA；一颗负责PCIe驱动接口，另外三颗各负责 24 个光纤通道的驱动接口，即单一数据传输模块可提供 72个光纤输出通道。
集成电路图案数据先自 RAID 磁盘阵列读出后加载主板刀锋服务器的内存，再经由PCIe 总线做直接内存存取（DMA， direct memory access）传输到个别的数据传输模块。数据传输模块上的 PCIe FPGA 接收 DMA 数据并存入模块上的闪存，然后再传输到各图形传输 FPGA 对应的 DDR3 内存储存。图形传输 FPGA 内建有客户自定的解压缩算法，解压缩后的数据会通过光学发射器做同步数据输出。示意图请参见图 5。
其中DDR3 内存切割为两个区块，以便实现「乒乓（ping-pong）」技术，也就是可让大量数据同时间进出内存以优化读/写带宽。各光纤输出通道的图形档案大小可达 300MB，换句话说，一个插满12张数据传输模块的机箱总共会需约260GB的档案大小。
先前提到符合经济效益的产出标准为每6分钟要完成一片晶圆，所以整体上会需要至少725MB/秒的连续数据带宽，通过这样的运作模式，另一组完全不同的晶圆电路图文件，也可在前片晶圆制作完成前可完成下载，以实现少量多样的高性能产出。
凌华科技基于FPGA架构的AXIe图形传输系统，对于无光罩 E-Beam微影制程应用，提供高效率集成电路图形数据处理、传输，以及数据同步的解决方案，整体系统跨通道间时钟偏移低于 2ns，且应用AXIe的几项特色，包含可提供大功率电源、有效散热及高可靠度及扩充性，可符合实际半导体生产制程的需求。