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同时做数字模拟IC设计,还要大规模EM/IR分析,怎么搞定?

时间:2021-10-19 作者:黄烨锋 阅读:
对于芯片设计和具体实施流程而言,电源完整性是相当重要的组成部分。芯片设计就需要去测试,在具体实施过程中是否满足了最初定义的电源(power)、性能和可靠性;也是最终产品符合预期的基本保证。
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对于芯片设计和具体实施流程而言,电源完整性是相当重要的组成部分。芯片设计就需要去测试,在具体实施过程中是否满足了最初定义的电源(power)、性能和可靠性;也是最终产品符合预期的基本保证。

市面上其实已经有各类电源完整性(power integrity)解决方案。前不久西门子Calibre interfaces和mPower电源完整性解决方案产品管理高级总监Joseph C. Davis在媒体交流会上提到,在设计层级(design level)西门子EDA有PowerPro,能够优化RTL,在RTL及gate级来预测功耗。而在封装和板级(package and board level),则有Hyperlynx——相关信号完整性和系统级验证。芯片级(chip level)则有Calibre PERC,针对电气过应力(EOS,Electrical Overstress)和静电放电(ESD,Electrostatic Discharge)保护。

“对于模拟与IP,对于数字层级而言,在芯片设计签核(sign-off)要引入电迁移和IR压降(EM/IR)的问题。芯片设计者需要验证设计的电源,验证所有模式的功率,并确保足够的电压应用到gate和晶体管上,以实现正确的功能和性能。”Davis说,“同时要确保通过线路的电流,不超过电迁移设定的限制,因为这会导致可靠性问题。”

这是相当复杂的分析过程,需要对数十亿晶体管、gate,以及“数万亿多边形(trillions of polygon)”进行分析。“因此西门子认为,这是进入这一市场的绝佳机会,并且可以实现差异化。”这是西门子近期所推mPower电源完整性解决方案诞生的基础。

社会数字化转型下的芯片设计挑战

Davis用比较大的篇幅谈到了如今芯片设计的一些背景和挑战。大背景在于社会数字化转型,可穿戴设备、汽车ADAS、工业智能电网、5G基础设施以及IoT等热门领域,芯片设计需求是远超从前的。“这些芯片的变化,推动了EDA方面的需求。”

“更多的功能出现在die上,芯片设计者需要耗费更多的精力去确保功耗处在终端产品可接受的范围内(power envelope)——才能实现更好的续航,产品有更长的寿命。”Davis说,“为了达成这样的目标,也就需要增加更多的电源管理、更多的电源域。如此一来也就增加了数字die的复杂性,以及模拟介面(interface)。模拟混合信号模块数量以更快的速度增长。”上面这张图是来自Semico Research的统计数据。

毕竟数字连接到真实世界一定是需要模拟介面的——比如与传感器连接,才能将信息带到数字die上做处理;与此同时模拟介面又是通信过程中的必要角色——从通信通道将信息带到数字侧。“这就改变了我们做设计的方式,给EDA带来了压力,需要同时满足数字与模拟设计相关的需求。”

Semico Reserch的统计还提到,2015-2025年,连接到互联网的半导体传感器的年复合增长率可达34%,预期2025年的规模是296亿。“这是因为这些处理单元都会连接到多个传感器。”“不只是相机中独立的那种传感器,还包括通过介面连接到互联网的传感器。也就是说需要蓝牙或WiFi来做通讯。”

以上这些都造成了设计额外的复杂性。“这对设计环境而言造成了巨大的压力。数字部分的规模扩展(scaling digital)是有对应的工具的。但所有模拟内容以及传感器相关的,过去都没有好的解决方案。”

尤其在模拟部分,仅有针对小型电路的解决方案存在,包括驱动器、放大器。芯片设计者会用基于SPICE的模拟分析来做动态分析——这样才能达成模拟电路在电源、性能、可靠性方面比较出色、细节化的分析。“但如果达到数百万量级的器件,就超出了SPICE仿真工具的能力与性能范围。”

“所以设计人员被迫使用精度更低的方法,比如静态分析,或者一些工程上的变通方案(workaround)——他们会人为地选择某些部分或者采用某种运行模式,来实现细节化的分析。”在没有进行详细EM/IR分析的情况下就去流片增加了不确定性。这个过程也会耗费时间和成本。“在整个范围内,覆盖从驱动器、传感器阵列、模拟子系统,进行EM/IR分析,市场上缺少出色的工具。”

“市场迫切需要大规模的模拟和数字电源完整性解决方案。”Davis表示。

所以mPower出现了

西门子宣称,mPower是首款面向模拟和数字EM/IR的可扩展解决方案;让芯片设计人员快速充分验证设计是否达到了电源相关的设计目标。“mPower是目前唯一一款为所有设计流程中任何规模的数字、模拟和3D IC提供电源完整性分析的解决方案。”

数字部分,可支持任意设计、任意技术;可扩展性(scalibility)不受限制;支持转型到云;采用行业标准输入。

模拟部分,用Davis的话来说,是把数字侧的性能和能力带到模拟侧。因此模拟部分,“我们能够提供前所未有的可扩展性。设计人员可以进行全芯片的动态分析,这在以前是做不到的。我们还将其融入到设计流(design flow)中——模拟设计人员很在意这一点。”“对于嵌入到(plug into)现有的流程中,可支持任意模拟器(simulator)和提取器(extractor),通过标准接口。”

“可在异构网络上扩展”,“支持异构网络上的每个引擎”——上面这张图中可以看到,从数据加载侧的数据输入,到时序、仿真器,到报告、GUI。“也就意味着,我们不需要大型设备来运行。我们能够跨各种类型的设备——不管是内部网络的还是云上的,来部署存储和算力需求。”

“对于数字部分,市面上有解决方案能够处理世界上最大的芯片。我们也能做。”Davis说,“不过我们的独特性在于,也将其应用到了模拟部分。以前动态分析是受限的,我们则能够进行大容量动态分析:从最小的芯片,到世界上最大的电路——包含传感器阵列、存储和模拟子系统。这在行业内是绝无仅有的,对于设计团队而言,能够节约时间和金钱。”上面这张图给出了mPower动态分析的模拟晶体管数量级。

媒体分享会上,Davis也分享了应用mPower的几个案例。其一是MaxLinear,MaxLinear此前就受限于现有方案的分析规模——某些子系统需要用到更巨量的晶体管数量。“比如看左下角这张图,中间的7个SAR UNIT。这是现有模块级解决方案可处理最大的模块。他们(MaxLinear)和我们的竞争对手合作已经很多年了,对其余电路部分可做动态分析。”

“而通过mPower Analog,他们针对大量模块作了测试。图上展示了往上两个层级的SAR TOP;SAR UNIT是竞品可处理的最大尺寸了。而用我们的工具来做会非常容易,而且不需要很高的资源需求量。”Davis谈到,“总之,这让MaxLinear能够实现以前无法达成的动态分析,也不再需要用到以前的变通方案,节约了时间和金钱。而且进行细节化的分析,也更有信心去流片。”

第二个例子是EFINIX,这是个FPGA芯片公司。Davis说,由于这家公司FPGA设计与运行的方式,传统数字EM/IR分析不适用;而其先前的供应商的模拟与数字混合方案也不行。所以EFINIX是自己做了一套变通方案的。而在采用mPower Analog之后,也就不需要以前的变通方案了。“这带来了模拟晶体管级别的分析,而且是千万、亿级晶体管。”

数字相关的例子是Esperato——这是家AI芯片公司,7nm工艺。“1000个64bit RISC-V处理器,规模非常大。他们以前用的工具能够跑模块级别的分析,但在他们的网络上并没有充足的(硬件)资源去跑完整的芯片分析。”所以只能对布局进行分区,通过多次运行实现全核签核。

“作为一家初创公司,他们无法再去购买更多的硬件,或者针对其专有IP租用所需的云算力。”Davis说。据说在采用mPower Digital之后,这家公司就能够在其现有资源的基础上单次实现完整芯片的签核。此外Davis也举了安森美的例子。“安森美有个团队是设计传感器的。他们有一颗芯片一半数字、一半模拟,还连接到传感器阵列。所以数字和模拟都需要做扩展,这样才能以细节化的方式做整个系统的分析,最终才能放心地流片。”据说是先从数字部分着手,然后到模拟解决方案,以mPower实现完整的芯片分析。

目前mPower电源完整性解决方案已经上市。这应该是Mentor成为西门子EDA之后的一大力作,也是在数字化社会转型大时代下,芯片设计新需求诞生,作为EDA供应商角色的重要思考。

责编:Luffy Liu

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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