芯片I/O，巨变

（原标题：芯片I/O，巨变）

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在近期举行的2025年台积电OIP生态系统论坛上，半导体I/O领域发生了翻天覆地的变化，这一点显而易见。

过去25年间，半导体I/O领域经历了深刻的变革，从180nm工艺节点下简单的通用输入/输出（GPIO）单元，发展到如今先进的16nm和22nm工艺下高度复杂、支持多种协议且功能丰富的库。正如专家在其演讲中所阐述的，现代I/O设计不再仅仅关注基本功能，而是更加注重适应性、优化和针对特定市场的性能。

历史上，每个工艺节点只需一个基础 I/O 库即可满足需求，提供经典 GPIO（推挽式 LVCMOS）或开漏 I/O (ODIO) 的各种变体，支持 I2C 或 SMBus 等协议。这些足以满足 21 世纪初电信和消费电子领域的应用需求。如今，移动计算、物联网、边缘人工智能、车载信息娱乐系统和自动驾驶系统等领域的爆炸式增长，对灵活性提出了更高的要求。现在，单个 ASIC 芯片无需专用引脚即可同时服务于汽车（需要 CAN）和蜂窝（需要 I3C）市场。这种融合催生了 GPODIO ，一种混合 I/O，能够在 CMOS 和开漏模式下工作，支持 LVCMOS、SPI、I3C、JTAG 和故障安全型开漏标准。

GPODIO 是多协议 I/O 的典范，也是现代设计的基石。它配备可配置的输出驱动器，可在高速 GPIO（Tfall < 5ns，Zout 33–120 Ω）和慢速转换开漏模式（Tfall 20–1000ns，IOL 3–20mA）之间切换。输入模式控制 (IMC) 支持多种 VIH/VIL/迟滞阈值，而故障安全操作即使采用推挽驱动器和片上终端也能确保可靠性。电压支持范围也得到了扩展：现代 GPIO 可处理 1.2V 至 3.3V 的 VDDIO、低至 0.65V 的内核电源以及高达 5V 的外部 ODIO 电压——所有这些都集成在一个单元中。

更先进的是“超级”I/O，它是一种宏单元，包含两个单端或一个差分对，支持超过20种标准，包括LVDS、MIPI、带片上终端（ODT）的HSTL/SSTL以及POD。这些对于高性能计算（HPC）和5G基础设施至关重要。

另一个主要趋势是I/O库的变体。在22nm工艺下，一个GPIO设计可能衍生出五个库——PM22（超低功耗物联网，漏电流0.14nA）、MM22（平衡移动应用）、OG22（车规级，8kV HBM）和EG22/TG22（高性能计算，采用交错封装以提高密度）。每个库都针对速度、漏电流、静电放电（2kV至16kV HBM，6A至16A CDM）和接口支持（SPI、RGMII、eMMC）进行了优化。如今，代工厂的产品目录为每个节点提供多个库，这些库根据金属层、电压和市场定位进行区分。产品架构师必须根据应用目标选择合适的库——例如，将低功耗物联网库用于高性能计算会降低性能。

模拟和射频 I/O 技术也日趋成熟。过去设计人员需要自行构建定制焊盘，而如今的库中包含了预先表征的单元：低电容射频焊盘（<75fF，>8kV HBM）、匹配的 LVDS/HDMI 对以及高达 20V 的高压模拟 I/O。这降低了设计风险并缩短了产品上市时间。

新兴的2.5D/3D 封装和芯片组的芯片间接口引入了超低功耗、高密度 I/O（例如，16nm 工艺下 4Gbps，直流电流 <0.1nA，10×20μm 尺寸），这对于多芯片 AI 和存储器堆叠至关重要。

验证复杂度急剧上升。传统的 GPIO 需要约 135 个 PVT 角点；而现代的多电压、多模式 GPIO 则需要超过12,000 个角点，包括零伏和掉电模式。精确的 .LIB 建模如今已成为一项重大的工程挑战。

总而言之， I/O 设计已从单一的、一刀切的库转变为由优化、可配置且市场定制的解决方案组成的复杂生态系统。默认使用“基础”代工厂库的时代已经一去不复返了。要想在 2025 年取得成功，需要深入了解应用需求、谨慎选择库并进行严格的验证——确保性能、功耗、可靠性和成本能够满足多样化且要求苛刻的终端市场的需求。

(来 源 ： 内容 编译自 semiwiki )

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