后摩爾時(shí)代：半導(dǎo)體工藝路線清晰，SignOff面臨哪些挑戰(zhàn) 如何解決？

在后摩爾時(shí)代，半導(dǎo)體工藝已經(jīng)出現(xiàn)了兩條清晰的發(fā)展路線：一方面是大的晶圓廠商繼續(xù)向物理極限縮小晶體管尺寸，以達(dá)到單晶片性能的增加和功耗的減少，而這會(huì)導(dǎo)致芯片上晶體管密度和功耗密度的上升，而且每一層金屬導(dǎo)線也會(huì)變得更細(xì)，更密集；另一方面是越來(lái)越多的晶圓廠商加入到通過(guò)采用先進(jìn)封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片性能和集成度提升的陣營(yíng)，比如越來(lái)越常見(jiàn)的 2.5D?封裝，不同種類的晶片通過(guò)中介層相互連接在一起，還有最新的 3D?封裝，不同種類的晶片通過(guò) TSV?堆疊在一起，雖然單晶片設(shè)計(jì)已經(jīng)比較成熟，但將很多異構(gòu)晶片堆疊封裝在一起會(huì)帶來(lái)很多新問(wèn)題，例如芯片過(guò)熱的問(wèn)題。

那這些技術(shù)革新對(duì)簽收工具有哪些影響呢？首當(dāng)其沖的就是工具的容量及可擴(kuò)展性，在兩三年以前，單晶片集成上千萬(wàn)門就稱得上是大芯片了。但如今，一塊芯片沒(méi)有上億門，電源網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有上十億節(jié)點(diǎn)都不好意思稱之為『大』。這就要求工具不該有任何局限，不管芯片有多大，在機(jī)器資源足夠的情況下，工具都能夠完成分析。另一方面，隨著功能的增加，芯片設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，簽收流程和需要考慮的因素越來(lái)越多，簽收也越來(lái)越困難。這就需要簽收工具從『?jiǎn)吸c(diǎn)分析工具』升級(jí)成為『聯(lián)動(dòng)分析工具』，其可以幫助設(shè)計(jì)者及早預(yù)見(jiàn)和發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的時(shí)序和功耗問(wèn)題，并且在絕大部分情況下能夠完成自動(dòng)修復(fù)。

同時(shí)，針對(duì)全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還需要一整套系統(tǒng)級(jí)分析仿真工具，能夠同時(shí)考慮和優(yōu)化多晶片、封裝跟電路板的影響，還要能把不同物理場(chǎng)，如電和熱，放在一起進(jìn)行耦合分析。C 記電熱分析全家桶，可以極好的應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

通常，在功耗簽收時(shí)最常見(jiàn)的做法是把整個(gè)芯片放在一起進(jìn)行電壓降和電遷移的仿真分析。隨著芯片規(guī)模劇增，對(duì)功耗簽核工具提出了極大挑戰(zhàn)，為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn) C 記從兩年以前開(kāi)始就對(duì) Voltus 內(nèi)核進(jìn)行升級(jí)，并在去年全部完成。這次升級(jí)最重要的一個(gè)方面是無(wú)限擴(kuò)展了 Voltus 的仿真能力，徹底實(shí)現(xiàn)了無(wú)論芯片多大，只要機(jī)器資源夠 Voltus 就都能完成分析。一個(gè)栗子：一個(gè) 30 億門級(jí) GPU 芯片，Voltus 共只用了 13T 內(nèi)存，使用近千個(gè) CPU，在一天時(shí)間完成所有仿真。

但一味提高工具容量是不能夠解決所有問(wèn)題的，例如機(jī)器資源緊張。芯片規(guī)模逐年成倍增長(zhǎng)并不代表內(nèi)部機(jī)器資源能成倍增長(zhǎng)，功耗簽收周期能成倍延長(zhǎng)。所以 Voltus 另辟蹊徑，開(kāi)發(fā)出了一套層級(jí)分析方法，通過(guò)對(duì)重復(fù)模塊建模的方式來(lái)提升簽收效率，減少對(duì)資源的要求。這一神器叫 Voltus XM. XM 代表 extreme modeling, 利用 XM，用戶可以對(duì)重復(fù) IP 構(gòu)建模型，一方面可以減少仿真時(shí)間和機(jī)器資源，另一方面可以通過(guò)模型搭建一個(gè)完整的芯片環(huán)境來(lái)優(yōu)化某些重要的模塊。實(shí)測(cè) XM 可以減少 40% 以上的仿真時(shí)間，同時(shí)保持 2%?以內(nèi)的精度。

提及簽收機(jī)器資源緊張的問(wèn)題，就不能不提到云。雖然有一部分客戶仍對(duì)云的數(shù)據(jù)安全性心存疑慮，但已有很多客戶都在考慮使用云來(lái)解決內(nèi)部機(jī)器資源緊張的問(wèn)題，特別是對(duì)機(jī)器資源消耗特別大的簽收階段。C 記在這方面很早就已開(kāi)始布局，并且在去年發(fā)布了全新一代云平臺(tái) Cloudburst, 這個(gè)平臺(tái)是可以架構(gòu)在任何一個(gè)云服務(wù)商上如 AWS 和 Azure。

C 記擁有全套設(shè)計(jì)平臺(tái)和全套分析工具，也一直致力于把所有工具整合在一起，以給客戶提供統(tǒng)一的用戶界面和豐富的解決方案，實(shí)現(xiàn)一加一大于二的目的。將時(shí)序和功耗簽收和物理實(shí)現(xiàn)整合在一起，可以在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)時(shí)序和功耗問(wèn)題，而不是把所有問(wèn)題都推遲到簽收階段來(lái)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)，這就孕育出了 Innovus PI 和 Tempus ECO . 另一方面，通過(guò)把時(shí)序和功耗放在一起考慮來(lái)找到那些會(huì)因?yàn)閴航刀斐蓵r(shí)序違例的關(guān)鍵路徑，這就催生了 Tempus PI。

在 Innovus PI 中，通過(guò)在布局和布線階段插入 Voltus 分析來(lái)及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的電壓降和電遷移方面的問(wèn)題。然后利用 cell spreading, cell sizing, clock skewing, PG insertion/removal, signal EM fix 來(lái)及時(shí)修復(fù)這些問(wèn)題，以盡量減少最后在簽收階段違規(guī)的數(shù)量?？梢酝ㄟ^(guò)下圖右邊這個(gè)例子看到，利用 Innovus PI 可以把最終的電壓降違例減少上百倍，而且這個(gè)流程完全自動(dòng)，不需要人力介入。

眾所周知功耗會(huì)影響時(shí)序，但在傳統(tǒng)流程里，時(shí)序和功耗總是 單獨(dú)簽收的。在最新工藝?yán)铮鼈冎g的相互影響越來(lái)越大，時(shí)序違例不能被傳統(tǒng)流程抓到進(jìn)而導(dǎo)致整塊芯片不能正常工作。Tempus PI 通過(guò)將 Tempus 和 Voltus 進(jìn)行整合和信息交互，來(lái)找出那些對(duì)電壓降很敏感的關(guān)鍵路徑，然后通過(guò)訂制分析找出那些可能因電壓降出現(xiàn)時(shí)序違例的路徑，在找到這些路徑之后，可以通過(guò) Tempus ECO 在 Innovus 里面修復(fù)。通過(guò) Tempus PI 可以一方面提高時(shí)序簽收的信心，另一方面也能減少為降低電壓降而增加的設(shè)計(jì)冗余，從而達(dá)到提升 PPA 的目的。

在先進(jìn)工藝中 Tempus ECO 跟 Innovus 的配合堪稱天衣無(wú)縫，利用 Tempus 快速的靜態(tài)時(shí)序分析，通過(guò)快速高效的 ECO 來(lái)減少迭代次數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩倍以上的時(shí)序設(shè)計(jì)收斂周期的減少和總體 PPA 的提升。

在對(duì)系統(tǒng)整體性能極致追求的今天，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和優(yōu)化變得越來(lái)越重要。C 記在系統(tǒng)方面的投入也越來(lái)越大，擁有一整套從芯片設(shè)計(jì)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的平臺(tái)軟件，一系列跨越電場(chǎng)、熱場(chǎng)、電磁場(chǎng)的系統(tǒng)分析軟件，例如 Voltus 用于芯片功耗電源完整性分析，Celsius 用于系統(tǒng)熱力分析，EMX 用于電感電容抽取，Clarity 3D 用于電磁場(chǎng)分析，Sigrity 工具用于封裝和電路板信號(hào)完整性分析。

先進(jìn)封裝發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)演變成一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，一方面是有很多不同的堆疊的方式，例如 2.5D Info, 2.5D CoWoS 以及 3D WoW;?另一方面是每個(gè)封裝里會(huì)有很多不同種類的晶圓采用不同平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)：例如 package 和 Info die 是用 Allegro 設(shè)計(jì)的，Logic die 是通過(guò) Innovus 設(shè)計(jì)的，Memory die 是用 Virtuoso 設(shè)計(jì)的。不管是哪種堆疊，或者是用哪個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)出來(lái)的，都需要有一套完整的簽收解決方案。C 記解決方案里面，對(duì)每個(gè)組成部分都能做詳細(xì)的分析，也都能生成簡(jiǎn)化模型以供其他部分用來(lái)做全局分析。例如 2.5D CoWoS 中，可以使用 Sigrity 的 XtractIM 來(lái)生成封裝模型，然后利用 Voltus 對(duì)整個(gè)芯片進(jìn)行完全展平分析。其中，die2interposer 的映射是由 Innovus 生成，die2package 的映射是由 MCP Editor 生成。Voltus 可以通過(guò)特有的層級(jí)分析方式來(lái)減小整個(gè)系統(tǒng)分析的機(jī)器資源消耗，另外為了處理越來(lái)越大的 2.5D 和 3D 設(shè)計(jì)，Voltus 對(duì)矩陣求解器的性能做了很大的提升，讓它能夠輕松對(duì)擁有幾萬(wàn)個(gè) bump 的系統(tǒng)做 per bump 分析。

在先進(jìn)封裝里，眾多晶片在一個(gè)非常狹小緊湊的環(huán)境里堆疊在一起，散熱成了亟需解決的問(wèn)題，為了把電和熱放在一起進(jìn)行耦合分析，C 記將 Voltus 和去年新發(fā)布的熱學(xué)分析工具 Celsius 整合在一起，提供了一套完整的解決方案。一方面，可以通過(guò) Voltus 生成 Voltus Thermal Model, 這個(gè)模型里包含了靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的功耗密度，芯片金屬性質(zhì)和密度，以及對(duì)某些重要模塊建立的精細(xì)模型。然后 Celsius 可以利用這個(gè)模型帶上其他的系統(tǒng)組成部分，比如封裝，電路板，散熱片來(lái)進(jìn)行精確的系統(tǒng)溫度和熱應(yīng)力仿真，利用 Celsius 生成的芯片溫度分布，Voltus 可以做 thermal-aware 的電壓降和電遷移的分析。

Voltus 和 Celsius 的耦合分析流程已在 7nm 的 3DIC 芯片上流片成功。

縱觀人類科技史，任何一次科學(xué)發(fā)現(xiàn)跟技術(shù)革新在給人類帶來(lái)巨大福澤的同時(shí)必定有挑戰(zhàn)伴之而生，而每一次都會(huì)有人類中的佼佼者站出來(lái)沖在前面，他們披荊斬棘，帶領(lǐng)著全人類翻過(guò)一座又一座的高山。不知人類何時(shí)才能造出《三體》中的智子，但只要我們篤定相信并足夠勤勉，終有一日，積少成多必將迎來(lái)技術(shù)鏈爆炸。