從DTCO、Shift Left到SLM，方法學(xué)如何促進(jìn)芯片產(chǎn)業(yè)鏈合作

新思科技 2020-12-22 00:00

“傻瓜式”高密度電源設(shè)計(jì) 一杯咖啡的時(shí)間，搞懂行波測距新趨勢

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近期蘋果公司第一批采用自研芯片M1（Apple Silicon）的電腦開售，在市場上引起極大關(guān)注。M1芯片如此成功的重要原因之一，在于蘋果公司早在構(gòu)建產(chǎn)品之初就通過軟硬件結(jié)合的工作方式，共同開發(fā)出完全適用于M1的硬件產(chǎn)品和軟件生態(tài)。這種軟硬件結(jié)合的芯片設(shè)計(jì)方法，讓M1芯片使用臺積電5納米工藝集成了160億個(gè)晶體管、配備8核中央處理器、8核圖形處理器以及16核架構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎，能夠以更佳的性能服務(wù)于終端應(yīng)用。

跨領(lǐng)域聯(lián)合方法學(xué)不僅能夠指導(dǎo)芯片設(shè)計(jì)工藝的不斷演進(jìn)，更是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈合作的技術(shù)基石，引領(lǐng)著半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新和進(jìn)步。

DTCO方法學(xué)：先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下的設(shè)計(jì)利器

芯片是硬件產(chǎn)業(yè)，也是軟件產(chǎn)業(yè)，同時(shí)涉及上游的高精度設(shè)計(jì)、中游的工藝制造以及下游的應(yīng)用場景。工藝節(jié)點(diǎn)從微米級別向納米級別不斷前進(jìn)，工藝復(fù)雜度的提升使得工廠無法按照傳統(tǒng)提供連續(xù)工藝參數(shù)空間，特別是FinFET工藝，針對器件的特征尺寸做了嚴(yán)格的限制。在工藝開發(fā)初期，如何選定這些特征尺寸，除了依據(jù)制造工藝本身的能力限制以外，需要將設(shè)計(jì)需求的輸入納入考慮范圍。反觀設(shè)計(jì)端，在進(jìn)行下一代產(chǎn)品規(guī)劃時(shí)，摩爾定律曲線早就不再完美匹配實(shí)際工藝能力，使得設(shè)計(jì)端必須和工藝研發(fā)緊密配合，協(xié)同優(yōu)化，共同尋找新一代工藝及設(shè)計(jì)目標(biāo)。

這種設(shè)計(jì)和工藝共同協(xié)作的過程，我們稱之為Design Technology Co-optimization （DTCO，設(shè)計(jì)工藝協(xié)同開發(fā)）。新思科技（Synopsys）是最早宣布開發(fā)并落地DTCO方法學(xué)的 EDA公司，為彌補(bǔ)設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)之間的鴻溝提供先進(jìn)的DTCO工具、方法和流程，促進(jìn)和加快現(xiàn)有技術(shù)的迭代升級，以滿足物聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛、機(jī)器人技術(shù)等新產(chǎn)品和應(yīng)用市場的嚴(yán)格要求。

由于新思科技擁有業(yè)界唯一完整覆蓋設(shè)計(jì)和制造流程的工具集，因此新思科技的DTCO解決方案涵蓋了從材料探索到模塊級物理實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過程，在晶圓生產(chǎn)之前的早期探路階段就能夠有效評估并縮小范圍選擇出新的晶體管架構(gòu)、材料和其他工藝創(chuàng)新技術(shù)，確保單元庫、IP、后端設(shè)計(jì)與工藝產(chǎn)線的特性能夠緊密吻合，從而以較低的成本實(shí)現(xiàn)更快的工藝開發(fā)。

▲ 新思科技DTCO流程示意圖

工藝節(jié)點(diǎn)的不斷演進(jìn)給半導(dǎo)體行業(yè)帶來諸多挑戰(zhàn)，最大的挑戰(zhàn)在于需要考慮所有可能的選擇時(shí)如何及時(shí)收斂到最佳的晶體管架構(gòu)。以IBM為例，新思科技的DTCO解決方案根據(jù)從典型構(gòu)件（如CPU內(nèi)核）中提取的指標(biāo)有效地選擇最佳的晶體管架構(gòu)和工藝選項(xiàng)，從布線能力、功耗、時(shí)序和面積等方面對晶體管和單元級設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而以更低的成本實(shí)現(xiàn)更快的工藝開發(fā)。

在此次合作中，新思科技的完整工具集讓DTCO得以發(fā)揮最大作用：采用新思科技Proteus掩模合成和Sentaurus光刻技術(shù)開發(fā)新的圖形技術(shù)，通過QuantumATK對新材料進(jìn)行建模，使用Sentaurus TCAD和Process Explorer評估并優(yōu)化新的器件結(jié)構(gòu)、工藝和工藝集成方案，并通過Mystic提取緊湊的模型。并結(jié)合這些流程產(chǎn)生的設(shè)計(jì)規(guī)則生成用于電路仿真的PDK和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)單元庫設(shè)計(jì)，最終使用基于IC Compiler II、StarRC、PrimeTime和IC Validator的融合技術(shù)物理實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程執(zhí)行PPA評估。通過模擬-優(yōu)化工藝或版圖-仿真迭代，實(shí)現(xiàn)工藝和和設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

Shift Left方法學(xué)：并行開發(fā)勢在必行

在后摩爾定律時(shí)代，AI、智能駕駛、5G為代表的創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π酒男枨蟛粩嗯噬闪宋⑻幚砥鳌⒛MIP核、數(shù)字IP核和存儲器（或片外存儲控制接口)）等多種IP核的SoC（系統(tǒng)級芯片，System on Chip）成為主流，隨之而來的挑戰(zhàn)是驗(yàn)證復(fù)雜度呈現(xiàn)指數(shù)級的增長。新思科技提出開發(fā)左移（Shift Left）的開發(fā)理念，為芯片設(shè)計(jì)開發(fā)提供了完整而強(qiáng)大的工具鏈、齊備而成熟穩(wěn)定的IP，通過IP復(fù)用、驗(yàn)證左移的方式，把驗(yàn)證及軟件開發(fā)工作時(shí)間提前（即時(shí)間坐標(biāo)軸上左移），幫助企業(yè)從最初產(chǎn)品定義期開始驗(yàn)證項(xiàng)目流程管理的順暢性、合理性，讓整體步驟前移，從而加速設(shè)計(jì)進(jìn)程、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并提高設(shè)計(jì)成功率。

新思科技推出的基于虛擬原型技術(shù)的虛擬開發(fā)平臺（VDK)可實(shí)現(xiàn)芯片、電路及元器件等電子控制單元（ECU）的虛擬仿真，將物理開發(fā)升級到仿真環(huán)境的智能開發(fā)，這樣能夠?qū)④浖_發(fā)和測試開發(fā)左移到系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，實(shí)現(xiàn)軟硬件并行開發(fā)。同時(shí)，新思科技正在積極投入架構(gòu)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行PPA評估的極致左移流程和工具，將以往只能在實(shí)現(xiàn)階段進(jìn)行的設(shè)計(jì)物理參數(shù)優(yōu)化工作，左移到架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同優(yōu)化。

根據(jù)項(xiàng)目復(fù)雜度不同，新思科技的左移方法學(xué)，可以把開發(fā)進(jìn)度提前3到9個(gè)月不等，在大型SoC開發(fā)中節(jié)省3到9個(gè)月可能決定著一款產(chǎn)品在市場上是否能搶到時(shí)間窗口。以新思科技的HAPS-80為例，作為加快軟件開發(fā)和系統(tǒng)驗(yàn)證的最佳解決方案，其成功協(xié)助平頭哥在兩周內(nèi)完成玄鐵910處理器SoC原型設(shè)計(jì)，并交付給軟件團(tuán)隊(duì)，為玄鐵910處理器的早日面市提供了極大保障。

軟件定義芯片的觀念不斷深入人心，變革正在發(fā)生。新思科技的左移方法學(xué)已經(jīng)從芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域推廣到更多的終端應(yīng)用開發(fā)，如智能汽車行業(yè)。自動駕駛是汽車行業(yè)的未來發(fā)展方向，需要采用大量的電子軟硬件。在左移方法學(xué)的指導(dǎo)下，新思科技針對智能汽車領(lǐng)域提出Triple Shift Left理論，憑借一系列汽車級IP核、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證解決方案及軟件，能夠提前12-18個(gè)月發(fā)現(xiàn)開發(fā)問題，協(xié)助解決汽車行業(yè)中的功能安全、安全性與可靠性挑戰(zhàn)，重新定義智能汽車的研發(fā)流程，大幅提升研發(fā)效率，進(jìn)一步加速汽車產(chǎn)業(yè)邁向智能化時(shí)代。

SLM方法學(xué)：重塑產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的價(jià)值

如今，芯片設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，芯片性能的可靠性也不斷提升，半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)在終于有機(jī)會與當(dāng)今許多其他業(yè)務(wù)領(lǐng)域一樣，能夠利用其產(chǎn)品和技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來提高整個(gè)電子系統(tǒng)價(jià)值鏈的效率與價(jià)值。以往，在半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)鏈上，從芯片設(shè)計(jì)、調(diào)試、測試、量產(chǎn)、回片等，在每個(gè)階段都有相對應(yīng)的參數(shù)和數(shù)據(jù)管理手段，這導(dǎo)致了擁有龐大數(shù)據(jù)量的半導(dǎo)體行業(yè)，無法把經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)在全產(chǎn)業(yè)鏈上做整合和反饋，數(shù)據(jù)的價(jià)值無法應(yīng)用于管理硅生命周期。也因此，半導(dǎo)體行業(yè)的全生命周期管理方法學(xué)一直缺位。

但隨著芯片和系統(tǒng)的復(fù)雜性日益增加，性能和可靠性要求不斷升級，推動著硅后分析、維護(hù)和優(yōu)化方面的需求不斷上升，這意味著需要一種新的方法來解決硅基系統(tǒng)的開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)問題。

新思科技近期正式推出業(yè)界首個(gè)以數(shù)據(jù)分析驅(qū)動的硅生命周期管理（SLM）平臺，通過分析片上監(jiān)控器和傳感器數(shù)據(jù)，形成閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對SoC從設(shè)計(jì)階段到最終用戶部署的全生命周期優(yōu)化。SLM平臺與新思科技市場領(lǐng)先的Fusion Design（融合設(shè)計(jì)）工具緊密結(jié)合，將在整個(gè)芯片生命周期提供關(guān)鍵性能、可靠性和安全性方面的深入分析。這將為SoC團(tuán)隊(duì)及其客戶帶來全新高度的視角，提升其在設(shè)備和系統(tǒng)生命周期的每個(gè)階段實(shí)現(xiàn)優(yōu)化操作的能力。

SLM解決方案基于兩個(gè)基本原則：盡可能多地收集與每個(gè)芯片相關(guān)的有用數(shù)據(jù)，并在其整個(gè)生命周期中對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以獲得用于改進(jìn)芯片和系統(tǒng)相關(guān)活動的可操作見解。第一個(gè)原則的實(shí)現(xiàn)方式是基于已經(jīng)從測試和產(chǎn)品工程中獲得的數(shù)據(jù)，通過嵌入在每個(gè)芯片中的監(jiān)控器和傳感器深入了解芯片的運(yùn)行，并在廣泛的環(huán)境和條件下測量目標(biāo)活動。第二個(gè)原則是應(yīng)用目標(biāo)分析引擎對可用的芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體生命周期各個(gè)階段的優(yōu)化，包括從設(shè)計(jì)實(shí)施到制造、生產(chǎn)測試、調(diào)試和現(xiàn)場最終運(yùn)行等全部流程，從而確保始終獲得最佳結(jié)果。

這種以數(shù)據(jù)分析驅(qū)動的SLM方法論和平臺，可以為客戶提供巨大的潛在回報(bào)。尤其是數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，在性能和功率方面的改進(jìn)將帶來數(shù)十億美元的潛在收益和成本節(jié)省。

無論是提倡設(shè)計(jì)工藝協(xié)同開發(fā)的DTCO、推崇并行開發(fā)的Shift Left、還是貫穿硅生命周期的數(shù)據(jù)分析驅(qū)動的SLM平臺，新思科技所開發(fā)并推行的方法學(xué)一次次協(xié)助行業(yè)順利通過先進(jìn)工藝演進(jìn)帶來的轉(zhuǎn)折并進(jìn)入下一個(gè)發(fā)展快車道，在提升芯片設(shè)計(jì)性能和效率、不斷引領(lǐng)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)不斷挑戰(zhàn)摩爾定律極限的同時(shí)，還有效地串聯(lián)起了芯片行業(yè)的上下游，并用軟件統(tǒng)一了產(chǎn)業(yè)鏈不同分工企業(yè)之間的對話語言，從而打造了良性的產(chǎn)業(yè)合作生態(tài)圈。

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