本文轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

Chiplet帶來的改變遠不止架構(gòu)，它們還在改變芯片的制造方式。

隨著行業(yè)從平面SoC向多芯片系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，工程挑戰(zhàn)不再局限于單個芯片的邊緣。性能、可靠性和良率如今取決于多個芯片在先進封裝內(nèi)的協(xié)同工作方式、如何利用互連技術(shù)的組合進行數(shù)據(jù)優(yōu)先級排序和傳輸，以及日益開放的生態(tài)系統(tǒng)所帶來的影響。

Chiplet的出現(xiàn)正迫使人們對整個設(shè)計流程進行根本性的重新思考。當設(shè)計、驗證、封裝、測試和可靠性決策從一開始就相互影響時，線性開發(fā)方法已不再適用。專家一致認為，Chiplet時代的成功取決于結(jié)構(gòu)化的工作流程，這些工作流程能夠盡早將建模、分析、驗證和制造決策聯(lián)系起來——在流片或組裝階段出現(xiàn)代價高昂的問題之前。為什么這些工作流程如此重要？它們必須包含哪些內(nèi)容？人工智能又是如何開始提升這些工作流程的效率的？

“先進封裝、2.5D 和 3D 架構(gòu)的復(fù)雜性不容忽視，企業(yè)的工作方式也正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，”西門子 EDA部門負責(zé)熱管理和可靠性的 3D-IC 解決方案架構(gòu)師 Andras Vass-Vernai指出?！皫啄昵?，封裝對于可靠性至關(guān)重要。幾年前的一次會議上，有人吹噓說，大家之所以能用上最新的電子產(chǎn)品和手機，完全是因為小型化，而小型化之所以成為可能，是因為一些機械工程師解決了熱管理問題。但他們當時的做法總是非常孤立。他們從未真正與芯片設(shè)計師和封裝的電氣設(shè)計師合作。他們各自討論各種規(guī)格和設(shè)計目標，然后各自為政。先進封裝改變了這一切，因為你需要盡早了解自己做出的決策是否正確?！?/span>

Chiplet工作流程涉及諸多考量，而不同半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)參與者的視角也各不相同?！霸谖覀儌鹘y(tǒng)的單片ASIC設(shè)計視角下，我們將其視為二維結(jié)構(gòu)；而Chiplet則不同，因為它是分層的，所以是2.5維甚至三維結(jié)構(gòu)?！盓xpedera軟件工程總監(jiān)Prem Theivendran指出，“大多數(shù)問題都源于互連，這對從事Chiplet設(shè)計的人來說簡直是噩夢。此外，還有機械問題、機電問題、電熱問題以及信號完整性問題。這三者的建模是一個多物理場問題。”

作為一家IP設(shè)計公司，Expedera并不創(chuàng)建模型，但它曾為一些Chiplet客戶研究過這個問題?！拔液芨吲d他們更加重視這些問題。這意味著我們必須正確設(shè)計NPU和接口，因為不再是標準的AXI接口，這就引出了如何降低總線延遲的問題，”Theivendran說道?！霸贑hiplet方面，它完全符合UCIe標準，采用類似SerDes的接口，頻率非常高等等。但不再需要傳統(tǒng)的AXI接口，那么我們該如何接入呢？這就是我們NPU需要改變的地方?！?/span>

在此背景下，實際問題就變成了設(shè)計團隊應(yīng)該如何調(diào)整設(shè)計方案以適應(yīng)這些新的限制。對許多團隊而言，這意味著用專為跨芯片設(shè)計、封裝和測試而構(gòu)建的工作流程來取代零散的交接環(huán)節(jié)。

“在傳統(tǒng)的單芯片設(shè)計中，如果出現(xiàn)局部缺陷，你只會報廢一個芯片，” Silvaco旗下公司Mixel的AMS高級經(jīng)理Long Thanh (Kevin) Bui表示。“但在Chiplet架構(gòu)中，一個互連故障或一個I/OChiplet缺陷就可能毀掉一個極其昂貴的完整封裝。因此，工程團隊需要統(tǒng)一的工作流程，因為封裝本身就是一個系統(tǒng)。他們必須協(xié)調(diào)復(fù)雜的多芯片交互，并在實際流片之前盡可能減少故障?！?/span>

在芯片設(shè)計中，結(jié)構(gòu)化工作流程至關(guān)重要，原因有以下幾點?！笆紫?，復(fù)雜性呈爆炸式增長，”Bui說道?！岸嘈酒到y(tǒng)會增加故障點，從互連和熱耦合到翹曲，不一而足。手動或脫節(jié)的流程會導(dǎo)致交互缺失、返工和缺陷。其次，跨領(lǐng)域協(xié)調(diào)至關(guān)重要，涉及架構(gòu)、封裝、測試、可靠性以及多供應(yīng)商供應(yīng)鏈。第三，可擴展性和可重復(fù)性至關(guān)重要。芯片設(shè)計旨在實現(xiàn)跨產(chǎn)品復(fù)用，因此工作流程能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化、標準化的流程，而非一次性工作。第四，降低風(fēng)險。早期預(yù)測建模和設(shè)計內(nèi)分析可以在流片前發(fā)現(xiàn)問題。分層測試和知識定義設(shè)計（KGD）有助于確保只組裝已知良好的組件。第五，提高效率至關(guān)重要，因為建模、分析和驗證步驟之間的自動化轉(zhuǎn)換可以減少錯誤、加快迭代速度并促進協(xié)作?！?/span>

換句話說，關(guān)注點已從芯片內(nèi)部設(shè)計轉(zhuǎn)移到跨芯片行為。“關(guān)注的邊界已從芯片內(nèi)部轉(zhuǎn)移到芯片之間的接口。像UCie這樣的新標準推動工作流程從專有、封閉的系統(tǒng)擴展到開放的生態(tài)系統(tǒng)，在這個生態(tài)系統(tǒng)中，來自不同供應(yīng)商的芯片必須可靠地協(xié)同工作。先進的封裝技術(shù)——包括2.5D/3D封裝、中介層和混合鍵合——也引入了新的物理現(xiàn)象，例如應(yīng)力、熱梯度以及凸點間距和材料等變量，”他說道。

在芯片設(shè)計中，工作流程意味著什么？

在半導(dǎo)體工程中，工作流程是指從概念到芯片，再到整個產(chǎn)品生命周期中，可重復(fù)的、端到端的工程步驟、工具、數(shù)據(jù)和決策門序列，旨在確保可靠性。

同時，Chiplet工作流程是一個并行協(xié)同設(shè)計的循環(huán)，它持續(xù)驗證多個獨立芯片封裝成單個高性能系統(tǒng)時的功能、電氣和物理完整性?！皩τ贑hiplet而言，穩(wěn)健的工作流程至關(guān)重要，”Bui說道。“與傳統(tǒng)的單芯片SoC不同，后者可靠性主要局限于單個芯片，而Chiplet系統(tǒng)引入了全新的復(fù)雜性：多個芯片、高密度互連、先進封裝以及系統(tǒng)級行為?？煽啃圆辉賰H僅是芯片級的問題，它已成為一個真正的系統(tǒng)級挑戰(zhàn)，涉及多個領(lǐng)域和學(xué)科?！?/span>

其他專家也認同這一觀點?！爱斘覀冋劦叫酒煽啃詴r，我們主要關(guān)注四個核心領(lǐng)域——散熱、機械、電源完整性和信號完整性，” Synopsys首席產(chǎn)品經(jīng)理Lang Lin表示。“在芯片設(shè)計能夠自信地流片之前，這四個方面都需要進行評估。實際上，這意味著要使用一個整體的EDA工作流程，將這四個方面結(jié)合起來進行分析。工程師們依靠多物理場求解器來研究散熱、機械、電源和信號影響之間的相互作用，因為這些問題都不能再被視為孤立的問題了?，F(xiàn)代流程兼具多物理場和多尺度特性，使團隊能夠評估系統(tǒng)中不同的物理效應(yīng)，并識別出最壞的情況。例如，一個芯片可能因為散熱不足導(dǎo)致溫度過高而失效，而另一個芯片則可能因為距離電源過遠而出現(xiàn)電源完整性問題?！?/span>

這是一個復(fù)雜的多物理場問題。“我們通常從一個初始狀態(tài)開始。芯片處于室溫，電源電壓為標稱值，信號以預(yù)期的數(shù)據(jù)速率運行，封裝沒有明顯的應(yīng)力或翹曲，”林解釋說?！暗坏┬酒_始工作，所有這些條件都會同時發(fā)生變化。隨著溫度升高，漏電功率增加，從而導(dǎo)致總功耗上升。更高的溫度還會降低芯片的運行速度，因為延遲會增加。同時，加熱還會導(dǎo)致一些機械問題，例如熱膨脹系數(shù)不匹配和芯片翹曲。這些影響都不是獨立發(fā)生的，它們同時相互作用，這就是為什么解決芯片可靠性問題會成為一個復(fù)雜的工程難題?！?/span>

對于芯片架構(gòu)師來說，這一切都需要大量的協(xié)作，因為它涉及多個環(huán)節(jié)?！坝薪涌谌藛T，有標準制定者，有我們負責(zé)的IP設(shè)計，還有系統(tǒng)級測試，”Expedera公司的Theivendran說道?！八裕褂煤线m的組件并確保端到端的正常運行，現(xiàn)在涉及到多個環(huán)節(jié)。此外，還有驗證環(huán)節(jié)。你必須提供一個基于UVM的基礎(chǔ)設(shè)施測試平臺、驅(qū)動程序、監(jiān)視器等等，僅僅是為了模擬我們的環(huán)境，因為現(xiàn)在我們就像芯片內(nèi)部的一個微型芯片。它不僅僅是一個標準的IP，它包含更多東西。它就像一個真正的芯片，有著不同的約束條件?！?/span>

這與傳統(tǒng)的平面SoC工作流程截然不同?！叭绻覀冋跇?gòu)建一個系統(tǒng)，那么工作流程將包括架構(gòu)設(shè)計、測試、系統(tǒng)級測試、模塊級測試，然后逐步向上——最終進行網(wǎng)表分析、門級測試和功耗分析，”Theivendran說道。“驗證工作量大大增加，但我們無法進行系統(tǒng)級測試。我們只能進行模塊級和IP級測試。因此，它看起來像是傳統(tǒng)的工作流程，但實際上多了更多步驟和需要考慮的細節(jié)。”

Chiplet工作流程必須包含哪些內(nèi)容？

根據(jù) Mixel 公司的 Bui 的說法，由于堆疊芯片在物理和電氣方面相互依賴性很強，因此一個穩(wěn)健的Chiplet工作流程必須涵蓋幾個不同的任務(wù)。Chiplet工作流程的核心組件包括：

多物理場簽核。由于芯片間距很小，工作流程必須同時分析熱應(yīng)力、機械應(yīng)力和電應(yīng)力。邏輯芯片上的熱熱點會導(dǎo)致機械翹曲，從而降低相鄰芯片上敏感的模擬/混合信號電路的性能。

電源和信號完整性 (PI/SI)。芯片間高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不能出現(xiàn)質(zhì)量下降，這就需要模擬芯片間微小連接的電磁行為。

互連可靠性。工作流程必須考慮連接芯片的凸塊和中介層，包括電遷移和應(yīng)力引起的空洞。

已知良好芯片和已知良好堆疊（KGD/KGS）。嚴格的測試方法應(yīng)采用內(nèi)置自測試和通道修復(fù)邏輯，在組裝前后繞過損壞的互連。

多物理場協(xié)同設(shè)計是不可或缺的。“Chiplet設(shè)計本質(zhì)上就是多物理場問題，”是德科技EDA總經(jīng)理Nilesh Kamdar表示，“垂直堆疊的芯片之間會產(chǎn)生熱量上升。跌落或振動造成的機械應(yīng)力會影響焊點連接和電氣性能。在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，共封裝光學(xué)器件會將光學(xué)物理引入到已經(jīng)需要處理電氣和熱交互的堆疊結(jié)構(gòu)中。這些因素都無法孤立地建模。出于電氣性能考慮而選擇的材料可能會使散熱管理更加復(fù)雜。優(yōu)化散熱性能可能會影響機械穩(wěn)定性。必須對整個系統(tǒng)進行分析。想想智能手機在嘗試連接微弱信號時過熱會發(fā)生什么。過多的熱量會加速電池電量的消耗，迫使無線電模塊更加努力地工作，從而產(chǎn)生更多熱量。在Chiplet堆疊中，這種反饋回路會同時發(fā)生在多個芯片、材料和物理域中?！?/span>

驗證工作更增加了挑戰(zhàn)?！皞鹘y(tǒng)的模塊級驗證方法是為單芯片系統(tǒng)設(shè)計的，無法考慮跨多個芯片、工藝節(jié)點和封裝層的交互作用，”Kamdar 指出?！坝行У尿炞C需要從一開始就從系統(tǒng)層面進行考量，在確認整個芯片堆疊組裝完成后性能是否仍然有效之前，先對每個芯片進行單獨測試。例如，熱效應(yīng)和串擾在組件層面是不可見的，只有在對整個系統(tǒng)進行建模時才會顯現(xiàn)出來。硬件輔助環(huán)境可以發(fā)現(xiàn)靜態(tài)分析遺漏的時序和互操作性問題，但這只有在仿真能夠與設(shè)計保持同步的情況下才能實現(xiàn)。”

仿真還有其他需要考慮的因素。“如果你只是想構(gòu)建一個仿真模型，那就會比較復(fù)雜，”西門子EDA的Vass-Vernai說道。 “你需要對工具、網(wǎng)格劃分技術(shù)、物理學(xué)等方面有深入的了解，這有時需要多年的經(jīng)驗積累。我們一直致力于讓這些工具普及化。例如，如果你僅僅從半導(dǎo)體仿真的角度來看這些工具，你會發(fā)現(xiàn)，其核心理念是創(chuàng)建一個類似電子表格或輸入框的東西。你輸入標準封裝樣式的所有細節(jié)。然后，工具會構(gòu)建模型、進行網(wǎng)格劃分并進行配置。我們一直在努力降低仿真的門檻。在芯片堆疊方面，這一點尤為重要，因為你需要確保電氣設(shè)計師能夠快速做出決策。問題在于，這種基于電子表格的輸入模板已經(jīng)不再適用，因為封裝不再標準化。這取決于你使用的技術(shù)、你的工程技能、你的想象力以及你構(gòu)建的封裝架構(gòu)類型。我們?nèi)匀恍枰档头抡娴拈T檻，但我們可以用我們熟悉的方式來實現(xiàn)?！?/span>

與此同時，這也推動了封裝數(shù)字孿生技術(shù)的開發(fā)。當架構(gòu)師定義布局、芯片布局、堆疊方式、中介層材料、連接方式和網(wǎng)表時，他們實際上已經(jīng)生成了仿真所需的大部分機械信息。與其構(gòu)建單獨的仿真工具并依賴仿真工程師后續(xù)重建模型，不如將這些電氣定義轉(zhuǎn)化為多物理場模型。雖然仍需進行一些設(shè)置，例如材料屬性、功率分配和邊界條件，但目標是盡可能簡化流程。這樣，電氣封裝設(shè)計人員就可以在工作流程的早期階段，利用其初始設(shè)計生成數(shù)字孿生的熱力學(xué)或熱機械版本。

人工智能如何重塑工作流程？

將人工智能融入Chiplet工作流程也能產(chǎn)生顯著影響?！霸陬A(yù)測建模和分析方面，人工智能可以改進熱力學(xué)和機械仿真、測試中的異常檢測以及良率預(yù)測，”Mixel 的 Bui 表示?！八梢蕴幚砗Ａ康亩辔锢韴鰯?shù)據(jù)集，從而更早、更準確地預(yù)測熱點、翹曲和故障風(fēng)險。在自動布線方面，人工智能可以幫助自動完成Chiplet之間數(shù)千個微凸點的復(fù)雜布線，同時最大限度地減少干擾。在驗證和調(diào)試方面，人工智能可以加速回歸測試、根本原因分析和分層測試。它還可以對互連行為進行建模，并幫助生成 KGD 和芯片間鏈路的測試模式?！?/span>

人工智能的發(fā)展日新月異，就連術(shù)語也在不斷演變?！拔覀儸F(xiàn)在不太喜歡用‘腳本’這個詞了，”Vass-Varnai 指出，“我們?nèi)匀辉诰帉懩_本，但現(xiàn)在我們談?wù)摰氖亲詣踊?。說到自動化，谷歌不再是創(chuàng)建腳本，而是在這些工具之上創(chuàng)建人工智能代理，并教會這些代理如何運行不同的工具以及如何創(chuàng)建流程。這就是我們的發(fā)展方向。我們還有另一個計劃，將自動化與生命周期管理（LLM）相結(jié)合，因為實現(xiàn)這一目標的最佳方式是能夠用自然語言提示工具，解釋你想要哪種類型的軟件包，包含哪些組件，并與你的助手協(xié)作，幫助你完成設(shè)計。這顯然是我們前進的方向。我知道我們所有的競爭對手都已經(jīng)在做這件事了。我認為目前還沒有人真正做到，但競爭非常激烈，誰能做得最好，誰就能最終勝出。”

事實上，整個EDA行業(yè)的核心在于工作流程。“要運行EDA，你需要設(shè)計數(shù)據(jù)；有了設(shè)計數(shù)據(jù)，你就可以運行各種工具，生成更多數(shù)據(jù)，再運行更多工具處理這些數(shù)據(jù)，然后你還需要更多工具來處理這些數(shù)據(jù)，”IC Manage首席執(zhí)行官Dean Drako指出。“這就是你的工作流程?，F(xiàn)在，我們正在利用智能AI增強工作流程，也就是在工作流程中使用智能AI來進行IP生命周期管理。通過AI增強功能，新的特性使得系統(tǒng)組件/IP的重用更加快捷方便，因為它用打包、支持和發(fā)現(xiàn)等工作流程取代了大量手動操作，工程師可以快速找到所需組件/IP，判斷其是否符合要求，并在必要時進行調(diào)整，或者使用我們?yōu)樗麄冮_發(fā)的AI進行驗證?！?/span>

此外，人工智能代理可以基于大量模擬進行快速預(yù)測?！坝行┕疽呀?jīng)完全實現(xiàn)了這一點，”Vass-Varnai補充道?！拔覀儍?nèi)部也有一些工具，正在考慮將其添加到我們的工作流程中。如果你想訓(xùn)練人工智能，你需要結(jié)構(gòu)良好、干凈的數(shù)據(jù)，我們也提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)，可以幫助你實現(xiàn)這一點。但即便你實現(xiàn)了這一點，最好還是能夠使用來自多家公司的多輪設(shè)計數(shù)據(jù)來訓(xùn)練人工智能?！?/span>

Synopsys 產(chǎn)品管理高級總監(jiān) Matt Commens 也認為，人工智能將迅速重塑芯片可靠性工作流程。 “設(shè)計創(chuàng)建、設(shè)置以及運行過程中的許多環(huán)節(jié)都將通過智能代理來實現(xiàn)。每個人都希望工作流程自動化，因此我們參與了一些項目，與特定客戶合作，為特定活動構(gòu)建高度自動化的工作流程。當然，我們也一直在改進自身的工作流程，以實現(xiàn)更多集成，例如多物理場工作流程?？蛻粝Ｍぷ髁鞒棠軌蚋叨绕鹾纤麄兊膽?yīng)用需求。人工智能將很快接管這些工作，我們已經(jīng)看到了這種趨勢。Ansys（現(xiàn)已更名為 Synopsys）早在四五年前就主動啟動了 API 優(yōu)先戰(zhàn)略，當時 ChatGPT 還未問世。我們之所以率先采用 API 優(yōu)先戰(zhàn)略，是為了構(gòu)建工作流程。在我們與客戶合作的一個項目中，為了實現(xiàn)高度自動化，我們構(gòu)建了一個名為 PyAEDT 的 API。它是開源的，托管在 GitHub 上，并且有完整的文檔。它非?；钴S，所有語言模型都知道如何使用它進行編碼，因為它們都是基于 PyAEDT 進行訓(xùn)練的?！?/span>

不過，科門斯并不認為會一夜之間全面轉(zhuǎn)向人工智能驅(qū)動的工作流程?！斑@將是一個漸進的過程，”他說道?！霸O(shè)計界不可能在一夜之間放棄現(xiàn)有的方法。團隊目前都在使用既定的工具、流程和習(xí)慣，而且還受到業(yè)務(wù)方面的限制。隨著工作流程變得更加自動化和復(fù)雜，人工智能的使用將需要更多的計算資源和能源。整個行業(yè)需要解決數(shù)據(jù)中心容量和電力是否足以滿足這種需求的問題。因此，盡管目前存在一些實際的限制，但發(fā)展方向是明確的?！?/span>