芯片和系統(tǒng)日益復(fù)雜，硅生命周期管理變得不可或缺

由于終端智能化水平越來越高，作為系統(tǒng)核心，SoC的集成度和規(guī)模也愈發(fā)龐大。同時，終端系統(tǒng)中包含的芯片數(shù)量也在成倍增加，系統(tǒng)復(fù)雜度的提升加大了SoC的運行挑戰(zhàn)。

這一情況在汽車市場最為突出，車規(guī)級芯片主要用于安全和關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，從設(shè)計到部署的整個周期里，需要有功能和性能監(jiān)控來應(yīng)對汽車SoC的功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全等問題。因而，新思硅生命周期管理(Silicon Lifecycle Management)成為優(yōu)化復(fù)雜芯片的關(guān)鍵手段，讓這些芯片能夠在汽車、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)控制等實際工作場景中運行更長的時間，應(yīng)對日益增長的設(shè)計成本挑戰(zhàn)的同時，滿足實際工作環(huán)境下的功能和性能要求。

作為全球排名第一的芯片自動化設(shè)計解決方案和芯片接口IP供應(yīng)商，同時也是信息安全與軟件質(zhì)量的全球領(lǐng)導(dǎo)者，新思科技提供集成多個產(chǎn)品和功能的SLM平臺，提供從芯片到系統(tǒng)的深刻洞察力。

當(dāng)前，SLM所提供的功能正逐漸被集成到芯片設(shè)計中，在整個芯片生命周期內(nèi)，盡可能多地收集數(shù)據(jù)，從而改善芯片和系統(tǒng)的可靠性和運行表現(xiàn)。

從設(shè)計到應(yīng)用，可靠性挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻

研發(fā)人員正嘗試將更多樣的功能融入到一顆芯片中，以實現(xiàn)更高的集成度和效率，芯片復(fù)雜度也隨之上升。這個復(fù)雜度體現(xiàn)在很多維度上，包括先進(jìn)的工藝讓單顆芯片里面有數(shù)百億、上千億的晶體管數(shù)量；異構(gòu)集成的架構(gòu)讓芯片成為AP、BP、NPU、ISP等功能單元的集合；同時，承載這顆芯片運轉(zhuǎn)需要一個復(fù)雜的PCB系統(tǒng)。以英偉達(dá)DRIVE Thor芯片為例，它是一顆能夠提供2000 TOPS算力的車規(guī)級SoC，內(nèi)建晶體管數(shù)量達(dá)到770億個。如下圖所示，為了釋放DRIVE Thor芯片的性能，DRIVE Thor的設(shè)計非常復(fù)雜。

然而，只是完成芯片設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計是不夠的。在實際應(yīng)用場景中，可靠性和安全性保障有時候比性能更重要，尤其是在汽車駕駛場景中，從功能實現(xiàn)、車規(guī)級認(rèn)證，到系統(tǒng)實現(xiàn)和現(xiàn)場應(yīng)用，所面臨的挑戰(zhàn)貫穿了芯片從設(shè)計制造、測試乃至實際工作場景的整個生命周期。

在功能實現(xiàn)方面，高級輔助駕駛（ADAS）和自動駕駛功能升級對芯片的要求越來越高，就像上述提到的英偉達(dá)DRIVE Thor芯片，基于臺積電4nm工藝，內(nèi)部晶體管數(shù)量超過700億，這讓芯片對制造工藝缺陷是非常敏感的。

與此同時，先進(jìn)的自動駕駛芯片還會采用2.5D/3D封裝和Chiplet技術(shù)來構(gòu)建異構(gòu)計算體系，在汽車E/E架構(gòu)集中化發(fā)展過程中，這種異構(gòu)計算體系非常重要。為了減少ECU用量，只是芯片集成度提升還不夠，芯片本身還要能夠提供虛擬機(jī)等軟件技術(shù)，再加上承載自動駕駛算法，整體上實現(xiàn)了基于軟硬件融合的邊緣計算大系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)這些功能，芯片必須滿足特定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。車規(guī)級是一項比消費級和工規(guī)級更嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，要求芯片在設(shè)計之初就將車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)納入其中，以確保功能安全。車規(guī)級芯片的使用壽命要求一般是15年；AEC-Q100用于可靠性測試，其中0級耐溫要求是-40℃~+150℃；ISO26262是芯片功能安全認(rèn)證，安全氣囊、防抱死剎車、動力轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)需滿足ASIL D等級。在這些嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)下，冗余設(shè)計所帶來代價非常高昂，需要考慮的因素也非常多。

以芯片使用壽命為例，對于電動汽車而言，駕駛只是其中一個場景（預(yù)設(shè)平均每天駕駛時間約為2-3小時），還有相當(dāng)一部分使用壽命消耗在充電場景下。一般情況下，這個時間消耗很容易超過4萬小時。因而，如下圖所示，車規(guī)級芯片在15年的壽命周期內(nèi)，運行時長可能會高達(dá)13萬小時。很多車規(guī)級芯片還會有被過度使用的預(yù)期，通常設(shè)計壽命是標(biāo)準(zhǔn)壽命的兩倍以上。

冗余設(shè)計還需要考慮未來汽車功能的升級，OTA升級已經(jīng)成為智能汽車提升競爭力的必要手段，這需要在芯片設(shè)計時留出足夠的空間和靈活性，以支持后續(xù)的功能升級。

AEC-Q100和ISO26262等認(rèn)證保證了車規(guī)級芯片設(shè)計的基本要求，但相應(yīng)的挑戰(zhàn)仍然在不斷涌現(xiàn)，由芯片設(shè)計轉(zhuǎn)為系統(tǒng)設(shè)計和現(xiàn)場應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計層面，自動駕駛芯片要想正常工作，一方面要為各種傳感器和數(shù)據(jù)流留出足夠的接口，另一方面需要配套復(fù)雜的外圍電路，包括電源、接口和隔離保護(hù)等。系統(tǒng)中提供不同功能的元器件的老化曲線是存在一定差異的，這也會帶來整體系統(tǒng)可靠性和安全性方面的挑戰(zhàn)。

最后的挑戰(zhàn)來自現(xiàn)場應(yīng)用。在如此漫長的運行周期里，尚未完全測試的物理環(huán)境很可能會突破車規(guī)級芯片的可靠性極限，包括高溫、應(yīng)力等。以高溫為例，當(dāng)前越來越多的地方開始出現(xiàn)歷史性極值的高溫天氣，使得車規(guī)級芯片可能持續(xù)工作在一個不利于散熱的高負(fù)荷環(huán)境中，這很明顯會進(jìn)一步加速芯片的老化，甚至導(dǎo)致在產(chǎn)品生命周期內(nèi)出現(xiàn)功能失效的情況。

為提升車規(guī)級芯片在設(shè)計、制造、部署和使用過程中的可靠性和穩(wěn)定性，汽車電子委員會(AEC)零缺陷(Zero Defect)框架推出了AEC-Q004，這套標(biāo)準(zhǔn)允許芯片供應(yīng)商能夠在最佳實踐列表中進(jìn)行選擇，以持續(xù)改進(jìn)芯片設(shè)計的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以有效地確保汽車電子產(chǎn)品在高溫、低溫、濕度、機(jī)械振動和電磁干擾等各種極端條件下的穩(wěn)定性和可靠性，從而實現(xiàn)終端產(chǎn)品零缺陷。

重要的話講三遍，芯片和系統(tǒng)的復(fù)雜度正在顯著提升，要滿足AEC-Q100和ISO26262認(rèn)證，以及AEC-Q004零缺陷框架，進(jìn)而讓車規(guī)級芯片在整個生命周期內(nèi)都具有出色的可靠性和安全性，IC從業(yè)者所面臨的挑戰(zhàn)越來越大。需要一種新方法來監(jiān)測如何開發(fā)、操作和維護(hù)基于硅的系統(tǒng)，SLM所提供的功能變得不可或缺。

SLM是一種基于大數(shù)據(jù)管理芯片的流程，數(shù)據(jù)來源于工藝/電壓/溫度(PVT)傳感器、可測性設(shè)計(DFT)和內(nèi)置自測試(BIST)資源、結(jié)構(gòu)和功能監(jiān)控器、嵌入式片上分析?；谝陨袭a(chǎn)品和解決方案，芯片獲得的信息會被傳輸至某個特定位置，進(jìn)行進(jìn)一步的分析、控制和優(yōu)化。

SLM將成熟的芯片測試基礎(chǔ)架構(gòu)、經(jīng)過驗證的IP、供應(yīng)鏈安全、芯片生命周期管理方法和生態(tài)系統(tǒng)平臺等結(jié)合在一起，讓芯片的設(shè)計、制造和使用變得更加穩(wěn)健，主要優(yōu)勢包括：

實現(xiàn)更優(yōu)的PPA設(shè)計；

快速提升制造良率；

縮短芯片上市周期；

優(yōu)化系統(tǒng)的功耗和性能；

提升現(xiàn)實應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。

需要特別指出的是，SLM對研發(fā)下一代芯片很有幫助，能夠讓設(shè)計人員清晰地了解這一代芯片在早期邊際退化、離群值檢測和故障預(yù)測時具體發(fā)生了什么。

芯片狀態(tài)檢測和結(jié)果分析是SLM重要的組成部分，這種檢測和分析跨越了芯片整個生命周期，可以持續(xù)探索硅性能的邊界，為下一代芯片設(shè)計研發(fā)做好準(zhǔn)備。

新思科技提供領(lǐng)先且完備的SLM平臺

SLM是一個相對較新的、基于大數(shù)據(jù)的設(shè)計和部署管理流程，能夠在整個芯片生命周期內(nèi)獲取和分析數(shù)據(jù)，并提供可操作的見解。考慮到產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)來源和平臺構(gòu)成，就會發(fā)現(xiàn)實施產(chǎn)品全生命周期管理具有一定的門檻，越是復(fù)雜的SoC和系統(tǒng)，這個門檻越高。

為了幫助設(shè)計人員更好地部署、實施產(chǎn)品全生命周期管理平臺，并從中持續(xù)獲得可操作性的見解，新思科技提供集成多個產(chǎn)品和功能的SLM平臺，與新思科技全面的EDA工具和領(lǐng)先的IP方案相結(jié)合，幫助開發(fā)人員應(yīng)對復(fù)雜芯片在開發(fā)和部署等方面的挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)最佳的硅成本、質(zhì)量、健康和性能。

新思科技SLM平臺能夠幫助了解芯片在每一個階段的操作指標(biāo)，不僅是芯片自身，還包括嵌入式環(huán)境、系統(tǒng)架構(gòu)和功能監(jiān)測器，收集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行持續(xù)的分析。片上部署的監(jiān)控電路不僅可以從ATE、芯片和系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)往片外，還可以被系統(tǒng)級測試捕捉，甚至是傳送到云端。這些數(shù)據(jù)最終被保存在相同的數(shù)據(jù)庫中，云分析技術(shù)和嵌入在片內(nèi)的AI引擎將會根據(jù)這些數(shù)據(jù)持續(xù)提供可操作的優(yōu)化建議。

從產(chǎn)品層面來看，新思科技SLM平臺包含了監(jiān)視器IP、傳感器IP、設(shè)計分析、產(chǎn)品分析、現(xiàn)場分析、智能數(shù)據(jù)提取和系統(tǒng)性能優(yōu)化等豐富的產(chǎn)品組合。其中，SLM IP又可以細(xì)分為PVT監(jiān)視器IP、PMM監(jiān)視器IP、時鐘和延遲監(jiān)視器IP、UCIe監(jiān)視器IP和各種高速訪問和測試IP等。

這里主要解讀一下PVT監(jiān)視器IP。PVT監(jiān)視器IP負(fù)責(zé)工藝、電壓和溫度，可以跟蹤片內(nèi)局部電源電壓的動態(tài)波動，直接測量硅溫度來檢測芯片上的局部熱點和冷點。新思科技PVT監(jiān)視器IP覆蓋28nm到3nm工藝階段，可以幫助這些芯片實現(xiàn)最佳的PPA平衡，以帶來顯著的性能和可靠性優(yōu)勢，典型案例包括自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)和動態(tài)電壓與頻率方案(DVFS)等。

目前，新思科技PVT監(jiān)視器IP已經(jīng)經(jīng)過SGS-TüV Saar認(rèn)證，滿足ASIL-B功能安全等級，符合AEC-Q100 2級標(biāo)準(zhǔn)，可以用于復(fù)雜的汽車芯片設(shè)計。

在設(shè)計和產(chǎn)品分析方面，Avalon軟件系統(tǒng)是用于故障分析、設(shè)計調(diào)試和低成品率分析的下一代CAD布局和故障隔離標(biāo)準(zhǔn)，能夠促進(jìn)產(chǎn)品/設(shè)計團(tuán)隊和FA（故障分析）實驗室之間更緊密協(xié)作。新思科技的SysNav將Avalon的能力進(jìn)一步擴(kuò)展到了封裝系統(tǒng)，可應(yīng)用于PCB、多芯片模塊以及堆疊式芯片應(yīng)用。

借助Avalon軟件系統(tǒng)和SysNav，開發(fā)人員可以優(yōu)化芯片質(zhì)量和良率，并改善板級的產(chǎn)品缺陷檢測和設(shè)備調(diào)試。此外，在設(shè)計方面，新思科技SLM平臺還提供TestMAX和Fusion Compiler RTL到GDSII解決方案，以及Fusion Design Platform等，幫助開發(fā)人員基于硅數(shù)據(jù)來優(yōu)化設(shè)計。

當(dāng)芯片部署到現(xiàn)場應(yīng)用之后，新思科技監(jiān)視器IP和傳感器IP將繼續(xù)發(fā)揮作用，這些數(shù)據(jù)可以被芯片上的AI引擎以及云分析技術(shù)快速處理，實時分析和優(yōu)化系統(tǒng)方案，并提供預(yù)測性維護(hù)、老化識別和故障檢測等功能，不僅能夠降低功耗、延長設(shè)備生命周期，還能夠提供貫穿整個設(shè)備生命周期的可追溯性。

借助新思科技SLM平臺，上述提到的汽車芯片的設(shè)計和部署挑戰(zhàn)都會迎刃而解。當(dāng)然，這些SLM方案不僅適用于汽車芯片設(shè)計和應(yīng)用，對于數(shù)據(jù)中心、工業(yè)控制和高端消費電子等領(lǐng)域的芯片和方案而言，也在逐漸變得不可或缺。

結(jié)語

為了讓芯片能夠更好地發(fā)揮性能，并具有出色的可靠性，各個行業(yè)都在持續(xù)優(yōu)化芯片設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，汽車行業(yè)是較為典型的，擁有AEC-Q100、ISO26262、AEC-Q004等一系列標(biāo)準(zhǔn)，以求車規(guī)級芯片能夠在整個生命周期內(nèi)穩(wěn)定運行。

隨著芯片和系統(tǒng)復(fù)雜度提升，想要讓芯片滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)變得愈發(fā)困難，滿足標(biāo)準(zhǔn)的芯片被部署到現(xiàn)場之后，很多未測試的物理挑戰(zhàn)正成為大麻煩，這在汽車駕駛應(yīng)用中是不被允許的。

新思科技憑借全面的EDA工具、領(lǐng)先的IP方案，以及在云技術(shù)方面的前瞻布局，推出了行業(yè)領(lǐng)先的SLM平臺，為復(fù)雜芯片的設(shè)計和部署賦能。新思SLM的出現(xiàn)，能夠為開發(fā)人員提供各種設(shè)計幫助。當(dāng)芯片部署之后，SLM還能夠持續(xù)提供可操作的優(yōu)化建議，幫助開發(fā)人員應(yīng)對設(shè)計和應(yīng)用中的可靠性挑戰(zhàn)，實現(xiàn)對產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)及性能管理。