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感謝TechSugar對新思科技的關注

雖然摩爾定律走到極限已成行業(yè)共識，但是在現(xiàn)代科技領域中，先進制程芯片的設計仍是實現(xiàn)高性能、低功耗和高可靠性的關鍵。芯片開發(fā)者正在致力于研發(fā)更先進的芯片，一方面是在工藝制程不斷推進，向3nm、2nm甚至是1nm進擊；另一方面是采用新的架構(gòu)，如Chiplet、2.5D/3D封裝，將多芯片系統(tǒng)集成在一起。

無論是單片SoC還是多芯片系統(tǒng)，目前芯片的復雜度和挑戰(zhàn)已經(jīng)來到一個制高點。為了在日益競爭激烈的市場中脫穎而出，芯片開發(fā)者必須克服眾多挑戰(zhàn)，并采用先進的技術和工具來保證設計的最終實現(xiàn)。

工藝、電壓、溫度，先進制程芯片的“三大攔路虎”

當代芯片設計和制造正朝著大尺寸、高功耗、2.5D/3D封裝、復雜互聯(lián)、FinFET/GAA技術等方向發(fā)展。與此同時，為了滿足市場需求和技術要求，還需要在設計過程中最大化處理性能利用率、優(yōu)化功耗效率并提升芯片的可靠性。這些發(fā)展趨勢給芯片設計和制造帶來了一系列挑戰(zhàn)。其中，工藝（process）、電壓（voltage）和溫度（temperature）（簡稱為PVT）正成為先進制程芯片設計中的“三大攔路虎”。

工藝：在先進制程芯片的演變過程中，隨著晶體管密度的增加，新興的FinFET和GAA（Gate-All-Around）技術在性能方面帶來了巨大的潛力，但也需要應對工藝變異和制造復雜性等方面的挑戰(zhàn)。再加上像Chiplet這種新型封裝方式將不同工藝的芯片組合在一起，這可能導致性能和可靠性方面的不確定性。

溫度：今天復雜的處理器芯片已經(jīng)包含有1000多億個晶體管，芯片上的晶體管數(shù)量還在增加，芯片的尺寸在不斷變大。如此多晶體管的散熱問題正成為困擾目前芯片開發(fā)者的一大難題，事實上，異構(gòu)芯片中的邏輯芯片、存儲器、功率器件以及電感器之間的熱串擾也帶來了前所未有的設計挑戰(zhàn)。

2.5D/3D封裝是現(xiàn)代先進芯片的主流封裝方式之一，但這些先進封裝技術在散熱方面帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在這些新型封裝中，芯片在運行過程中可能會出現(xiàn)多個熱點，即局部溫度較高的區(qū)域，這可能導致散熱不良和性能下降。

電壓下降（IR）：目前的芯片尺寸越來越小，但其中集成的晶體管數(shù)量卻在不斷增加，當芯片在高負載情況下運行時，電流流過如此多的晶體管會產(chǎn)生一定的電阻，從而引起電壓下降問題，電壓下降會造成一系列不良影響，包括信號完整性降低、時序噪聲增加、功耗增加、性能下降等。隨著芯片規(guī)模和復雜度的增加，電流的大小和波動性也會增加，從而導致電壓下降問題更加顯著。

此外，芯片在設計過程中還可能會因為用戶需求、應用程序要求等原因發(fā)生變化，面臨難以預測的工作負載的挑戰(zhàn)。功率不確定性也是一大挑戰(zhàn)，芯片的功率消耗也可能會出現(xiàn)波動，過高或過低的功率都會影響芯片的正常運行和性能。

PVT監(jiān)控器：先進制程芯片成功的關鍵

面對上述眾多挑戰(zhàn)，芯片開發(fā)者的任務變得異常艱巨。芯片制造商已經(jīng)不能再忽視芯片內(nèi)部發(fā)生的情況，而且還需全面了解芯片在生命周期各個階段的“一舉一動”。為了確保芯片的高性能和高可靠性，需要對工藝、電壓和溫度（PVT）等參數(shù)進行監(jiān)測和控制，一款良好的PVT監(jiān)控器（monitor）將是解決這些問題的關鍵。

采用PVT監(jiān)控器，就像是在芯片設計虛擬運行的過程中配備了“眼睛和耳朵”，PVT監(jiān)控器能夠?qū)崟r感知和記錄芯片的工藝、電壓和溫度狀態(tài)。通過監(jiān)測這些參數(shù)，開發(fā)者能夠及時調(diào)整芯片的工作模式和參數(shù)，以確保芯片的正常運行。

因此，PVT監(jiān)控器已經(jīng)成為實現(xiàn)先進節(jié)點半導體器件可靠運行和最佳性能的關鍵所在。

新思科技PVT監(jiān)控IP成功通過臺積公司認證

作為全球領先的EDA廠商之一，新思科技一直致力于為芯片的全生命周期進行全方位的保駕護航。新思科技有著強大的硅生命周期管理(SLM)解決方案，而PVT監(jiān)控IP也是SLM系列的一部分。這一解決方案建立在豐富的片內(nèi)可觀察性、分析和集成自動化的基礎之上。它通過收集有意義的數(shù)據(jù)，在設備生命周期的每個階段提供持續(xù)的分析和可操作的反饋，從而改善芯片健康和操作指標。

新思科技用于先進節(jié)點工藝技術的模塊化SLM PVT IP/監(jiān)控 IP

值得一提的是，新思科技已在臺積公司的N5和N3E制程上成功完成了PVT監(jiān)控IP測試芯片的流片，這是一個關鍵的里程碑：一方面，對于新思科技而言，IP對工藝和制造技術非常敏感，因此實現(xiàn)經(jīng)過驗證的芯片性能是贏得芯片制造商信任的很關鍵一步。

另一方面，經(jīng)過驗證的IP可以大幅節(jié)省設計周期和成本，當下芯片廠商之間的競賽比以往任何時候都要激烈，新思科技經(jīng)過硅驗證的PVT監(jiān)控IP將對準備采用臺積公司N5和N3E先進制程工藝的客戶受益。

新思科技的片內(nèi)PVT子系統(tǒng)解決方案由多個片內(nèi)監(jiān)控器組成，這些監(jiān)控器可分別用于工藝檢測、電壓監(jiān)控和溫度傳感，具體工作原理如下：

• 工藝檢測器可幫助評估和監(jiān)控die與die之間以及大芯片之間的速度。所收集的數(shù)據(jù)可幫助深入了解硅片老化情況，并用于電壓/時序分析、動態(tài)電壓和頻率縮放優(yōu)化以及速度分檔。

• 電壓監(jiān)控器可測量多個域的電源電壓和靜態(tài)壓降，以驗證和優(yōu)化器件的配電網(wǎng)絡，特別是在承受任務模式工作負載壓力時。

• 溫度傳感器可以檢測芯片溫度的變化，提醒設備的熱管理系統(tǒng)啟動冷卻措施以防止過熱。在不進行初始化校準情況下的精度為+/-4°C，進行初始化校準情況下的精度為+/-1.2°C，分辨率約為0.16°C（DNW）。溫度傳感器可實現(xiàn)對器件溫度的變化進行嚴格控制。

嵌入式監(jiān)控IP提供了對PVT參數(shù)的可見性，PVT監(jiān)控將數(shù)據(jù)反饋到PVT控制器中，這些數(shù)據(jù)可通過標準（APB）接口來訪問。PVT監(jiān)控可以根據(jù)客戶的不同應用場景進行不同的配置，并且可以輕松地集成到設計流程和芯片的架構(gòu)中。

新思科技的SLM PVT監(jiān)控IP可應用于多種用途，從實時熱映射到能耗/功率優(yōu)化和硅評估，涵蓋從設計到上線、測試和現(xiàn)場操作的全過程。除此之外，新思科技正在不斷推動PVT監(jiān)控技術的創(chuàng)新和發(fā)展，以滿足不斷演進的先進制程芯片設計需求。例如，正在開發(fā)中的Droop Detector將用于與Droop相關的早期內(nèi)核故障檢測。

新思PVT監(jiān)控IP核適用多個目標市場應用

新思科技的PVT監(jiān)控IP核已被納入臺積公司庫和IP質(zhì)量管理計劃（TSMC9000計劃）中，并已被全球140多家客戶采用，實現(xiàn)了600多個設計，廣泛應用于人工智能（AI）、數(shù)據(jù)中心、高性能計算（HPC）、消費電子和5G等多種目標市場應用。

以AI芯片設計中的方法學為例。在AI芯片的設計過程中，由于大規(guī)模的工作負載，帶來了重大散熱、高功率分布和靜態(tài)壓降的難題，高功率不僅限制了性能，還增加了成本和二氧化碳排放量。通過使用新思科技的SLM PVT監(jiān)控IP，可以顯著提高該AI芯片的多核利用率，通過將監(jiān)控放置在靠近熱點的位置，更好地管理多個熱點的不可預測性，優(yōu)化每瓦的性能，保持關鍵邏輯運算的供電余量。

SLM PVT監(jiān)控IP在AI芯片的應用案例

新思科技SLM PVT監(jiān)控IP實際應用案例分享

最具代表性的案例之一是為世界上最大的芯片Cerebras WSE-2提供最佳PPA和優(yōu)化。Cerebras在84個WSE-2晶粒上各分布了8個溫度傳感器和8個電壓監(jiān)控器（每個有16個電壓感應點）。每個晶圓上共有10,752個電壓檢測點和672個溫度傳感器，從而實現(xiàn)了通過集群內(nèi)感應和熱節(jié)流實現(xiàn)細粒度熱管理，精確感測待優(yōu)化的電壓裕度，并實時監(jiān)測輪詢情況，監(jiān)控突發(fā)AI工作負載導致的靜態(tài)壓降，評估跨芯片的局部工藝變化，以實現(xiàn)電壓擴展和性能優(yōu)化。在從設計、測試、生產(chǎn)到現(xiàn)場運行的器件生命周期的各個階段，硅健康狀況的可視性。

另一個案例是在Arm安全硬件架構(gòu)SoC上的應用。Arm在Morello SoC中使用了3個溫度傳感器、4個電壓監(jiān)視器和1個工藝檢測器。這樣，應用軟件可以利用這些溫度傳感器來測量CPU的溫度，當溫度超過可配置的警戒閾值時，軟件會發(fā)出警告或進行關機操作，以保護設備的安全。

終端用戶可以通過配置Arm的Cortex MCore軟件中的溫度級別來訪問新思溫度傳感器，從而配置警報和關機閾值。ATE測試程序則可以使用新思工藝監(jiān)視器來判斷每個設備相對于整體群體的工藝偏差。

最后，PVT控制器來管理這些溫度傳感器、電壓監(jiān)視器和工藝檢測器的子系統(tǒng)，這樣的做法減輕了系統(tǒng)控制處理器的許多相關任務，確保監(jiān)測和管理的高效性和準確性。

PVT監(jiān)控在Arm Morello SoC中的應用

第三個案例是在Esperanto公司的推理處理器芯片中使用片內(nèi)PVT監(jiān)控器進行芯片健康評估。Esperanto在其推理芯片中分布了35個溫度傳感器和工藝檢測器，每個處理器集群和I/O集群各一個，還嵌入了熱敏二極管。每個存儲器節(jié)點中嵌入了8個電壓監(jiān)控器（每個有16個電壓感應點），以主動監(jiān)控來自處理器集群的關鍵電源。采用5個PVT控制器來收集數(shù)據(jù)，并通過APB和JTAG接口，將數(shù)據(jù)嵌入CPU中。這些監(jiān)控器在ATE（自動測試設備）運行操作期間被使用。

通過將工藝監(jiān)視器變化與設備內(nèi)測得的誤碼率和性能計數(shù)器相結(jié)合，可以報告設備的健康狀況。

新思PVT監(jiān)控在Esperanto公司的推理處理器芯片中的應用

結(jié)語

隨著AI、5G、消費電子、高效能計算等應用領域?qū)Ω?、更強大的電子設備的需求不斷增長，先進制程芯片的演進還在繼續(xù)。實現(xiàn)芯片內(nèi)部可視性和洞察力是幫助優(yōu)化半導體生命周期各個階段、并最終提高芯片質(zhì)量的關鍵工具。PVT監(jiān)視器將成為實現(xiàn)先進制程芯片設計成功的關鍵！

在這一發(fā)展趨勢下，新思科技的PVT監(jiān)控子系統(tǒng)，再配以全方位的SLM技術解決方案，為先進制程芯片的成功提供了一種了解芯片的內(nèi)部和外部情況的準確有效的方法，更好地幫助芯片開發(fā)者來應對先進制程芯片不斷增加的設計和制造挑戰(zhàn)。

我們將在9月14日召開的線上研討會中揭示如何在IC設計中嵌入分布式PVT IP，通過實時收集參數(shù)和PVT controller分析，優(yōu)化性能，提高可靠性。了解更多關于SLM PVT IP信息，請掃碼報名線上研討會：