由于終端智能化水平越來(lái)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(shí),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(yùn)行挑戰(zhàn)。
這一情況在汽車市場(chǎng)最為突出,車規(guī)級(jí)芯片主要用于安全和關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用,從設(shè)計(jì)到部署的整個(gè)周期里,需要有功能和性能監(jiān)控來(lái)應(yīng)對(duì)汽車SoC的功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全等問(wèn)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(shí)際工作場(chǎng)景中運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間,應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的設(shè)計(jì)成本挑戰(zhàn)的同時(shí),滿足實(shí)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(dòng)化設(shè)計(jì)解決方案和芯片接口IP供應(yīng)商,同時(shí)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(gè)產(chǎn)品和功能的SLM平臺(tái),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(jì)中,在整個(gè)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(yùn)行表現(xiàn)。
從設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)更高的集成度和效率,芯片復(fù)雜度也隨之上升。這個(gè)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(shí),承載這顆芯片運(yùn)轉(zhuǎn)需要一個(gè)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(jí)SoC,內(nèi)建晶體管數(shù)量達(dá)到770億個(gè)。如下圖所示,為了釋放DRIVE Thor芯片的性能,DRIVE Thor的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。
然而,只是完成芯片設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)是不夠的。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,可靠性和安全性保障有時(shí)候比性能更重要,尤其是在汽車駕駛場(chǎng)景中,從功能實(shí)現(xiàn)、車規(guī)級(jí)認(rèn)證,到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,所面臨的挑戰(zhàn)貫穿了芯片從設(shè)計(jì)制造、測(cè)試乃至實(shí)際工作場(chǎng)景的整個(gè)生命周期。
在功能實(shí)現(xiàn)方面,高級(jí)輔助駕駛(ADAS)和自動(dòng)駕駛功能升級(jí)對(duì)芯片的要求越來(lái)越高,就像上述提到的英偉達(dá)DRIVE Thor芯片,基于臺(tái)積電4nm工藝,內(nèi)部晶體管數(shù)量超過(guò)700億,這讓芯片對(duì)制造工藝缺陷是非常敏感的。
與此同時(shí),先進(jìn)的自動(dòng)駕駛芯片還會(huì)采用2.5D/3D封裝和Chiplet技術(shù)來(lái)構(gòu)建異構(gòu)計(jì)算體系,在汽車E/E架構(gòu)集中化發(fā)展過(guò)程中,這種異構(gòu)計(jì)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(dòng)駕駛算法,整體上實(shí)現(xiàn)了基于軟硬件融合的邊緣計(jì)算大系統(tǒng)。
為了實(shí)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(jí)是一項(xiàng)比消費(fèi)級(jí)和工規(guī)級(jí)更嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn),要求芯片在設(shè)計(jì)之初就將車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)納入其中,以確保功能安全。車規(guī)級(jí)芯片的使用壽命要求一般是15年;AEC-Q100用于可靠性測(cè)試,其中0級(jí)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(dòng)力轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)需滿足ASIL D等級(jí)。在這些嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)下,冗余設(shè)計(jì)所帶來(lái)代價(jià)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(duì)于電動(dòng)汽車而言,駕駛只是其中一個(gè)場(chǎng)景(預(yù)設(shè)平均每天駕駛時(shí)間約為2-3小時(shí)),還有相當(dāng)一部分使用壽命消耗在充電場(chǎng)景下。一般情況下,這個(gè)時(shí)間消耗很容易超過(guò)4萬(wàn)小時(shí)。因而,如下圖所示,車規(guī)級(jí)芯片在15年的壽命周期內(nèi),運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)可能會(huì)高達(dá)13萬(wàn)小時(shí)。很多車規(guī)級(jí)芯片還會(huì)有被過(guò)度使用的預(yù)期,通常設(shè)計(jì)壽命是標(biāo)準(zhǔn)壽命的兩倍以上。
冗余設(shè)計(jì)還需要考慮未來(lái)汽車功能的升級(jí),OTA升級(jí)已經(jīng)成為智能汽車提升競(jìng)爭(zhēng)力的必要手段,這需要在芯片設(shè)計(jì)時(shí)留出足夠的空間和靈活性,以支持后續(xù)的功能升級(jí)。
AEC-Q100和ISO26262等認(rèn)證保證了車規(guī)級(jí)芯片設(shè)計(jì)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(jì)轉(zhuǎn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面,自動(dòng)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(huì)帶來(lái)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(lái)自現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。在如此漫長(zhǎng)的運(yùn)行周期里,尚未完全測(cè)試的物理環(huán)境很可能會(huì)突破車規(guī)級(jí)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(lái)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(jí)芯片可能持續(xù)工作在一個(gè)不利于散熱的高負(fù)荷環(huán)境中,這很明顯會(huì)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(jí)芯片在設(shè)計(jì)、制造、部署和使用過(guò)程中的可靠性和穩(wěn)定性,汽車電子委員會(huì)(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(shí)踐列表中進(jìn)行選擇,以持續(xù)改進(jìn)芯片設(shè)計(jì)的各個(gè)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(dòng)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(shí)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(jí)芯片在整個(gè)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(lái)越大。需要一種新方法來(lái)監(jiān)測(cè)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(lái)源于工藝/電壓/溫度(PVT)傳感器、可測(cè)性設(shè)計(jì)(DFT)和內(nèi)置自測(cè)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(huì)被傳輸至某個(gè)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(cè)試基礎(chǔ)架構(gòu)、經(jīng)過(guò)驗(yàn)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(tái)等結(jié)合在一起,讓芯片的設(shè)計(jì)、制造和使用變得更加穩(wěn)健,主要優(yōu)勢(shì)包括:
實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的PPA設(shè)計(jì);
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(shí)應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。
需要特別指出的是,SLM對(duì)研發(fā)下一代芯片很有幫助,能夠讓設(shè)計(jì)人員清晰地了解這一代芯片在早期邊際退化、離群值檢測(cè)和故障預(yù)測(cè)時(shí)具體發(fā)生了什么。
芯片狀態(tài)檢測(cè)和結(jié)果分析是SLM重要的組成部分,這種檢測(cè)和分析跨越了芯片整個(gè)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(jì)研發(fā)做好準(zhǔn)備。
新思科技提供領(lǐng)先且完備的SLM平臺(tái)
SLM是一個(gè)相對(duì)較新的、基于大數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)和部署管理流程,能夠在整個(gè)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??紤]到產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)來(lái)源和平臺(tái)構(gòu)成,就會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)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(gè)門檻越高。
為了幫助設(shè)計(jì)人員更好地部署、實(shí)施產(chǎn)品全生命周期管理平臺(tái),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(gè)產(chǎn)品和功能的SLM平臺(tái),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(duì)復(fù)雜芯片在開發(fā)和部署等方面的挑戰(zhàn),以實(shí)現(xiàn)最佳的硅成本、質(zhì)量、健康和性能。
新思科技SLM平臺(tái)能夠幫助了解芯片在每一個(gè)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(cè)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(jí)測(cè)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(kù)中,云分析技術(shù)和嵌入在片內(nèi)的AI引擎將會(huì)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(lái)看,新思科技SLM平臺(tái)包含了監(jiān)視器IP、傳感器IP、設(shè)計(jì)分析、產(chǎn)品分析、現(xiàn)場(chǎng)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(shí)鐘和延遲監(jiān)視器IP、UCIe監(jiān)視器IP和各種高速訪問(wèn)和測(cè)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(dòng)態(tài)波動(dòng),直接測(cè)量硅溫度來(lái)檢測(cè)芯片上的局部熱點(diǎn)和冷點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)最佳的PPA平衡,以帶來(lái)顯著的性能和可靠性優(yōu)勢(shì),典型案例包括自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)和動(dòng)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(guò)SGS-TüV Saar認(rèn)證,滿足ASIL-B功能安全等級(jí),符合AEC-Q100 2級(jí)標(biāo)準(zhǔn),可以用于復(fù)雜的汽車芯片設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)和產(chǎn)品分析方面,Avalon軟件系統(tǒng)是用于故障分析、設(shè)計(jì)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(jì)團(tuán)隊(duì)和FA(故障分析)實(shí)驗(yàn)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(jí)的產(chǎn)品缺陷檢測(cè)和設(shè)備調(diào)試。此外,在設(shè)計(jì)方面,新思科技SLM平臺(tái)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(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
當(dāng)芯片部署到現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)分析和優(yōu)化系統(tǒng)方案,并提供預(yù)測(cè)性維護(hù)、老化識(shí)別和故障檢測(cè)等功能,不僅能夠降低功耗、延長(zhǎng)設(shè)備生命周期,還能夠提供貫穿整個(gè)設(shè)備生命周期的可追溯性。
借助新思科技SLM平臺(tái),上述提到的汽車芯片的設(shè)計(jì)和部署挑戰(zhàn)都會(huì)迎刃而解。當(dāng)然,這些SLM方案不僅適用于汽車芯片設(shè)計(jì)和應(yīng)用,對(duì)于數(shù)據(jù)中心、工業(yè)控制和高端消費(fèi)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(yǔ)
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(gè)行業(yè)都在持續(xù)優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)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(jí)芯片能夠在整個(gè)生命周期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)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(chǎng)之后,很多未測(cè)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(tái),為復(fù)雜芯片的設(shè)計(jì)和部署賦能。新思SLM的出現(xiàn),能夠?yàn)殚_發(fā)人員提供各種設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的可靠性挑戰(zhàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)及性能管理。