新思科技PVT IP：從源頭解決先進制程芯片“三大攔路虎”

本文轉自TechSugar

感謝TechSugar對新思科技的關注

雖然摩爾定律走到極限已成行業(yè)共識，但是在現(xiàn)代科技領域中，先進制程芯片的設計仍是實現(xiàn)高性能、低功耗和高可靠性的關鍵。芯片開發(fā)者正在致力于研發(fā)更先進的芯片，一方面是在工藝制程不斷推進，向3nm、2nm甚至是1nm進擊；另一方面是采用新的架構，如Chiplet、2.5D/3D封裝，將多芯片系統(tǒng)集成在一起。

無論是單片SoC還是多芯片系統(tǒng)，目前芯片的復雜度和挑戰(zhàn)已經來到一個制高點。為了在日益競爭激烈的市場中脫穎而出，芯片開發(fā)者必須克服眾多挑戰(zhàn)，并采用先進的技術和工具來保證設計的最終實現(xiàn)。

工藝、電壓、溫度，先進制程芯片的“三大攔路虎”

當代芯片設計和制造正朝著大尺寸、高功耗、2.5D/3D封裝、復雜互聯(lián)、FinFET/GAA技術等方向發(fā)展。與此同時，為了滿足市場需求和技術要求，還需要在設計過程中最大化處理性能利用率、優(yōu)化功耗效率并提升芯片的可靠性。這些發(fā)展趨勢給芯片設計和制造帶來了一系列挑戰(zhàn)。其中，工藝（process）、電壓（voltage）和溫度（temperature）（簡稱為PVT）正成為先進制程芯片設計中的“三大攔路虎”。

工藝：在先進制程芯片的演變過程中，隨著晶體管密度的增加，新興的FinFET和GAA（Gate-All-Around）技術在性能方面帶來了巨大的潛力，但也需要應對工藝變異和制造復雜性等方面的挑戰(zhàn)。再加上像Chiplet這種新型封裝方式將不同工藝的芯片組合在一起，這可能導致性能和可靠性方面的不確定性。

溫度：今天復雜的處理器芯片已經包含有1000多億個晶體管，芯片上的晶體管數(shù)量還在增加，芯片的尺寸在不斷變大。如此多晶體管的散熱問題正成為困擾目前芯片開發(fā)者的一大難題，事實上，異構芯片中的邏輯芯片、存儲器、功率器件以及電感器之間的熱串擾也帶來了前所未有的設計挑戰(zhàn)。

2.5D/3D封裝是現(xiàn)代先進芯片的主流封裝方式之一，但這些先進封裝技術在散熱方面帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在這些新型封裝中，芯片在運行過程中可能會出現(xiàn)多個熱點，即局部溫度較高的區(qū)域，這可能導致散熱不良和性能下降。

電壓下降（IR）：目前的芯片尺寸越來越小，但其中集成的晶體管數(shù)量卻在不斷增加，當芯片在高負載情況下運行時，電流流過如此多的晶體管會產生一定的電阻，從而引起電壓下降問題，電壓下降會造成一系列不良影響，包括信號完整性降低、時序噪聲增加、功耗增加、性能下降等。隨著芯片規(guī)模和復雜度的增加，電流的大小和波動性也會增加，從而導致電壓下降問題更加顯著。

此外，芯片在設計過程中還可能會因為用戶需求、應用程序要求等原因發(fā)生變化，面臨難以預測的工作負載的挑戰(zhàn)。功率不確定性也是一大挑戰(zhàn)，芯片的功率消耗也可能會出現(xiàn)波動，過高或過低的功率都會影響芯片的正常運行和性能。

PVT監(jiān)控器：先進制程芯片成功的關鍵

面對上述眾多挑戰(zhàn)，芯片開發(fā)者的任務變得異常艱巨。芯片制造商已經不能再忽視芯片內部發(fā)生的情況，而且還需全面了解芯片在生命周期各個階段的“一舉一動”。為了確保芯片的高性能和高可靠性，需要對工藝、電壓和溫度（PVT）等參數(shù)進行監(jiān)測和控制，一款良好的PVT監(jiān)控器（monitor）將是解決這些問題的關鍵。

采用PVT監(jiān)控器，就像是在芯片設計虛擬運行的過程中配備了“眼睛和耳朵”，PVT監(jiān)控器能夠實時感知和記錄芯片的工藝、電壓和溫度狀態(tài)。通過監(jiān)測這些參數(shù)，開發(fā)者能夠及時調整芯片的工作模式和參數(shù)，以確保芯片的正常運行。

因此，PVT監(jiān)控器已經成為實現(xiàn)先進節(jié)點半導體器件可靠運行和最佳性能的關鍵所在。

新思科技PVT監(jiān)控IP成功通過臺積公司認證

作為全球領先的EDA廠商之一，新思科技一直致力于為芯片的全生命周期進行全方位的保駕護航。新思科技有著強大的硅生命周期管理(SLM)解決方案，而PVT監(jiān)控IP也是SLM系列的一部分。這一解決方案建立在豐富的片內可觀察性、分析和集成自動化的基礎之上。它通過收集有意義的數(shù)據(jù)，在設備生命周期的每個階段提供持續(xù)的分析和可操作的反饋，從而改善芯片健康和操作指標。

新思科技用于先進節(jié)點工藝技術的模塊化SLM PVT IP/監(jiān)控 IP

值得一提的是，新思科技已在臺積公司的N5和N3E制程上成功完成了PVT監(jiān)控IP測試芯片的流片，這是一個關鍵的里程碑：一方面，對于新思科技而言，IP對工藝和制造技術非常敏感，因此實現(xiàn)經過驗證的芯片性能是贏得芯片制造商信任的很關鍵一步。

另一方面，經過驗證的IP可以大幅節(jié)省設計周期和成本，當下芯片廠商之間的競賽比以往任何時候都要激烈，新思科技經過硅驗證的PVT監(jiān)控IP將對準備采用臺積公司N5和N3E先進制程工藝的客戶受益。

新思科技的片內PVT子系統(tǒng)解決方案由多個片內監(jiān)控器組成，這些監(jiān)控器可分別用于工藝檢測、電壓監(jiān)控和溫度傳感，具體工作原理如下：

• 工藝檢測器可幫助評估和監(jiān)控die與die之間以及大芯片之間的速度。所收集的數(shù)據(jù)可幫助深入了解硅片老化情況，并用于電壓/時序分析、動態(tài)電壓和頻率縮放優(yōu)化以及速度分檔。

• 電壓監(jiān)控器可測量多個域的電源電壓和靜態(tài)壓降，以驗證和優(yōu)化器件的配電網絡，特別是在承受任務模式工作負載壓力時。

• 溫度傳感器可以檢測芯片溫度的變化，提醒設備的熱管理系統(tǒng)啟動冷卻措施以防止過熱。在不進行初始化校準情況下的精度為+/-4°C，進行初始化校準情況下的精度為+/-1.2°C，分辨率約為0.16°C（DNW）。溫度傳感器可實現(xiàn)對器件溫度的變化進行嚴格控制。

嵌入式監(jiān)控IP提供了對PVT參數(shù)的可見性，PVT監(jiān)控將數(shù)據(jù)反饋到PVT控制器中，這些數(shù)據(jù)可通過標準（APB）接口來訪問。PVT監(jiān)控可以根據(jù)客戶的不同應用場景進行不同的配置，并且可以輕松地集成到設計流程和芯片的架構中。

新思科技的SLM PVT監(jiān)控IP可應用于多種用途，從實時熱映射到能耗/功率優(yōu)化和硅評估，涵蓋從設計到上線、測試和現(xiàn)場操作的全過程。除此之外，新思科技正在不斷推動PVT監(jiān)控技術的創(chuàng)新和發(fā)展，以滿足不斷演進的先進制程芯片設計需求。例如，正在開發(fā)中的Droop Detector將用于與Droop相關的早期內核故障檢測。

新思PVT監(jiān)控IP核適用多個目標市場應用

新思科技的PVT監(jiān)控IP核已被納入臺積公司庫和IP質量管理計劃（TSMC9000計劃）中，并已被全球140多家客戶采用，實現(xiàn)了600多個設計，廣泛應用于人工智能（AI）、數(shù)據(jù)中心、高性能計算（HPC）、消費電子和5G等多種目標市場應用。

以AI芯片設計中的方法學為例。在AI芯片的設計過程中，由于大規(guī)模的工作負載，帶來了重大散熱、高功率分布和靜態(tài)壓降的難題，高功率不僅限制了性能，還增加了成本和二氧化碳排放量。通過使用新思科技的SLM PVT監(jiān)控IP，可以顯著提高該AI芯片的多核利用率，通過將監(jiān)控放置在靠近熱點的位置，更好地管理多個熱點的不可預測性，優(yōu)化每瓦的性能，保持關鍵邏輯運算的供電余量。

SLM PVT監(jiān)控IP在AI芯片的應用案例

新思科技SLM PVT監(jiān)控IP實際應用案例分享

最具代表性的案例之一是為世界上最大的芯片Cerebras WSE-2提供最佳PPA和優(yōu)化。Cerebras在84個WSE-2晶粒上各分布了8個溫度傳感器和8個電壓監(jiān)控器（每個有16個電壓感應點）。每個晶圓上共有10,752個電壓檢測點和672個溫度傳感器，從而實現(xiàn)了通過集群內感應和熱節(jié)流實現(xiàn)細粒度熱管理，精確感測待優(yōu)化的電壓裕度，并實時監(jiān)測輪詢情況，監(jiān)控突發(fā)AI工作負載導致的靜態(tài)壓降，評估跨芯片的局部工藝變化，以實現(xiàn)電壓擴展和性能優(yōu)化。在從設計、測試、生產到現(xiàn)場運行的器件生命周期的各個階段，硅健康狀況的可視性。

另一個案例是在Arm安全硬件架構SoC上的應用。Arm在Morello SoC中使用了3個溫度傳感器、4個電壓監(jiān)視器和1個工藝檢測器。這樣，應用軟件可以利用這些溫度傳感器來測量CPU的溫度，當溫度超過可配置的警戒閾值時，軟件會發(fā)出警告或進行關機操作，以保護設備的安全。

終端用戶可以通過配置Arm的Cortex MCore軟件中的溫度級別來訪問新思溫度傳感器，從而配置警報和關機閾值。ATE測試程序則可以使用新思工藝監(jiān)視器來判斷每個設備相對于整體群體的工藝偏差。

最后，PVT控制器來管理這些溫度傳感器、電壓監(jiān)視器和工藝檢測器的子系統(tǒng)，這樣的做法減輕了系統(tǒng)控制處理器的許多相關任務，確保監(jiān)測和管理的高效性和準確性。

PVT監(jiān)控在Arm Morello SoC中的應用

第三個案例是在Esperanto公司的推理處理器芯片中使用片內PVT監(jiān)控器進行芯片健康評估。Esperanto在其推理芯片中分布了35個溫度傳感器和工藝檢測器，每個處理器集群和I/O集群各一個，還嵌入了熱敏二極管。每個存儲器節(jié)點中嵌入了8個電壓監(jiān)控器（每個有16個電壓感應點），以主動監(jiān)控來自處理器集群的關鍵電源。采用5個PVT控制器來收集數(shù)據(jù)，并通過APB和JTAG接口，將數(shù)據(jù)嵌入CPU中。這些監(jiān)控器在ATE（自動測試設備）運行操作期間被使用。

通過將工藝監(jiān)視器變化與設備內測得的誤碼率和性能計數(shù)器相結合，可以報告設備的健康狀況。

新思PVT監(jiān)控在Esperanto公司的推理處理器芯片中的應用

結語

隨著AI、5G、消費電子、高效能計算等應用領域對更小、更強大的電子設備的需求不斷增長，先進制程芯片的演進還在繼續(xù)。實現(xiàn)芯片內部可視性和洞察力是幫助優(yōu)化半導體生命周期各個階段、并最終提高芯片質量的關鍵工具。PVT監(jiān)視器將成為實現(xiàn)先進制程芯片設計成功的關鍵！

在這一發(fā)展趨勢下，新思科技的PVT監(jiān)控子系統(tǒng)，再配以全方位的SLM技術解決方案，為先進制程芯片的成功提供了一種了解芯片的內部和外部情況的準確有效的方法，更好地幫助芯片開發(fā)者來應對先進制程芯片不斷增加的設計和制造挑戰(zhàn)。

我們將在9月14日召開的線上研討會中揭示如何在IC設計中嵌入分布式PVT IP，通過實時收集參數(shù)和PVT controller分析，優(yōu)化性能，提高可靠性。了解更多關于SLM PVT IP信息，請掃碼報名線上研討會：