与芯片物理冗余持续缩小的战争

来源:芯智讯发布时间:2023-08-021113浏览

更小的工艺节点，加上不断寻求在设计中添加更多功能，迫使芯片制造商和系统公司不得不考虑选择哪些设计和制造才可以在不断缩小的冗余中争取更多的空间。

在过去，晶圆制造厂和芯片设计团队之间的差距很大，前者实施了高度限制性的设计规则（RDR）来补偿新工艺技术的不确定性，后者在设计中内置了额外的电路以确保可靠性。RDR为晶圆厂的各种工艺增加了冗余，使晶圆厂能够缓冲从畸形特征到工艺变化的一切——新工艺的问题总是比成熟工艺更大。对于设计团队来说，额外的电路提供了一个故障转移，以防在终端产品上出现问题。

但从FinFET节点开始，仅仅在设计中增加冗余已不再是一种选择。晶体管密度的增加和导线的变细，达到了总系统余量（晶圆厂和设计团队共同构建芯片的总和）开始影响性能和功率的程度。简单地说，通过更细的导线和额外的电路将信号驱动更长距离需要更多的能量，这可能会降低性能，并带来成本的提升。

因此，晶圆厂开始与EDA公司更紧密地合作，通过更好的工具来减少“防护带”，越来越多地通过应用AI/ML和更详细的模拟，以及将这些工具与新的工艺技术更紧密地集成。这带来的结果是，不同的团体争取任何可用的冗余，贯穿整个设计制造流程。

但是传统的冗余设计可以对冲异质集成中的不确定性，也可以缓冲各种类型的噪声和晶体管密度增加带来的物理影响。它还改变了测试、计量和检查的插入点，特别是安全和任务关键型设计，并将测试扩展到制造之外的领域，当数据路径因老化或潜在缺陷而退化时，可以使用冗余部分重新路由信号。

在某些情况下，这也促使芯片制造商在硅中得到充分证明的技术，或者由于其固有的冗余而更具弹性的技术，与最新、最先进的技术之间做出选择。

PDF Solutions总裁兼首席执行官John Kibarian表示：“人们正在寻找能够容忍可变性的设计，以使自己免受冗余问题的影响”。“某些架构有助于实现这一点。因此，任何类似阵列或本质上平行的元件——比特币挖矿芯片、GPU、TensorFlow芯片或任何其他IPU（智能处理单元）——相对于CPU或单个处理元件，都往往具有可变性。这些已经占据了大部分工作负载，工作负载现在正在转移到本质上更具可变性的事情上。这将使您与晶圆厂的可变性隔绝开来。但是，变化性最低的晶圆厂仍然积累了最大的市场份额，因为你仍然可以使用变化较小的技术，从而生产出变化较小的产品，并且你会为此获得报酬。”

如果只能获得更少的冗余，也会迫使相关厂商重视改进现有的制造工艺，其中一项关键工作是将一个或多个步骤的数据与晶圆厂的其他步骤集成在一起。

Tignis总裁兼首席执行官Jon Herlocker表示：“数据集成是其中的关键部分。”“晶圆厂内部有很多数据库，尤其是在前端和后端之间，因为很多可靠性和测试都发生在后端，而且很多时候后端数据库没有连接到前端数据库。我们在数据库方面看到的另一个有趣的问题是，先进封装正在成为一件大事。通常与前端相比，后端封装方面的基础设施技术含量较低，但现在事情似乎发生了改变，先进封装的基础设施技术含量越来越高。因此，现在我们需要问自己，‘我们是否将后端技术升级到可以处理我们现在的复杂性的程度？’”

芯片设计和制造中的每一个过程都需要收紧，以弥补利润率的下降。这包括制造和测试、计量和检验方面的关键领域。

Onto Innovation光刻产品营销总监Keith Best表示：“如果你看看镀铜层压板，这是目前先进封装扇出的最新技术，你可能会看到有多达20层RDL。”“你必须确保这些登记是准确的。当然，人们总是试图获得更好的（计量和检查）分辨率性能。随着分辨率越来越高，覆盖层也越来越紧，然后你会担心基底是否稳定。对于覆铜层压板，当你固化这些层时，你可以改变基底的形状。随着它在许多层面上的变化，开孔变得越来越难满足，你最终会损失收益。”

这为制造中使用的新材料创造了机会，包括玻璃、永久粘合材料等。但由于在理解材料与其他工艺结合时的确切表现方面存在差距，因此也需要一定的余地。

Brewer Science公司首席技术官Rama Puligadda表示：“我们需要帮助的是弄清楚我们的材料在客户流程中的具体表现。”“如果我们能够了解加工条件，我们就可以模拟材料在这些过程中的行为或性能。这将有助于我们预测故障并缩短反馈循环。”

更糟糕的是，今天使用的材料——就像许多制造工艺一样——与五年前大不相同。

Puligadda说：“如今用于封装的材料在性能、稳定性、质量、环境兼容性和清洁度方面都要达到更高的标准。”“今后，将需要无PFAS和PFOS的材料，并需要更高水平的清洁度来支持混合粘合等工艺。封装材料将向前端质量要求转变。”

更好的设计工具，但数据更加孤立

在设计方面，分配余量一直是一个挑战，但在针对特定领域的异构设计中，这变得越来越困难。这种异质性使芯片制造商能够尝试不同的选择，并出于竞争原因实现工程变更订单。但现在冗余度太低，需要做更多的前期工作，这就是为什么设计技术协同优化和系统技术协同优化近年来受到如此多的关注。决策需要在这个过程的早期做出，因为物理冗余正在影响从随机到原子层过程的一切。

多家公司董事会成员、Arm前首席执行官Simon Segars表示：“长期以来，冗余度一直在上升。”“机器学习（ML）在设计中的一些应用是一个机会，可以跨越更大的边界进行优化，挤出一些冗余度，并以稍微不同的方式理解失效机制。”

这就造成了一个争论点，因为虽然设计团队总是希望获得更多的冗余，但也会受到物理方面的惩罚。至少在设计的前沿，冗余越少就意味着性能和功耗越好，但这也需要重新思考各种流程和方法。边际需要在整个系统的背景下考虑，而不仅仅是单个区块或过程。

Movellus总裁兼首席执行官Mo Faisal表示：“每个人都想降低冗余。”。“当你看300瓦及以上的处理器时，你真的找不到一个包。也许你只需要把它减少几瓦，它就从不可能变成可能。实现这一点的方法是减少冗余度。‘我在哪里存在超额冗余度，因为每一块超额冗余度都会增加Vmin，这会降低电压——功率V²。所以这一切都会反馈回来。”V与时间有关，因此需要挤出每一点可能的冗余，这一切都取决于时间。但它需要一个系统视图，而不是只看一个区块。”

3D IC的挑战变得更加复杂。Synopsys数字设计营销高级总监Shekhar Kapoor表示：“这就是可怕的部分，也是人们犹豫不决的原因。”。“方法和工具都在那里，我们今天实际上可以帮助你对设计进行分区。我们可以纯粹从连接的角度告诉你什么是最好的分区。你可以把所有宏放在一个模具里，你可以在这里有逻辑，然后你可以在那里有内存，你很可能会达到你的高性能目标。但这是最优化的方法吗？哈你看过照片里的其他东西了吗？你对它的热部分做了什么？你有一个热裕度和一个功率裕度，你必须把它们加在一起。但我们过去有20个不同的角落。现在，对于一个典型的单片设计，我们有大约200个计时角。所以，对于名义上的最坏情况，你必须考虑所有这些组合，所有这些都有一个巨大的乘法因子。这只是为了把握时机。你也有热问题，老化，电力。你如何延长你的时间签准，不仅仅是点对点，从一个触发器到另一个触发器，还要考虑到功率和热的影响。如果你能做到这一点，那么至少你在一个地方处理冗余。”

Segars同意了。“你可能会担心设计中‘这个块’或‘这片IP’的裕度。在不同的基板上堆叠模具或多个模具，特别是如果它们来自不同的铸造厂，每个人都会在安全范围内制造。但如果你一直这样做，最终你就根本没有性能了。这可能会导致不同的制造方式ing块。”

这也增加了对电力完整性分析的需求，而这在十年前通常被认为是不重要的。Ansys营销总监Marc Swinnen表示：“现在它是一个第一级的签准工具，因为电压冗余率变得如此之低。”。“降低功率的最好方法是降低电压，因此有超低电压过程。但这意味着你会有电压下降没有余量的副作用。你把电压降得太低了，你真的无法承受任何损失，所以它们对电压下降变得非常、非常敏感，EM/IR成为第一级的签字工具。如果你增加电压下降金，你的最大频率下降了，因为现在你必须设计一个更低的电压。所以，你不仅没有太多的冗余，而且你创造的任何冗余都会直接影响你的业绩底线。这意味着，除非万不得已，否则你真的不想把这个幅度放在那里。尽管如此，人们一直看到芯片的Fmax比最初模拟的要低10%左右，而且他们无法获得应有的频率。最常见的原因是动态电压下降。电压降分析中存在漏洞，他们没有发现在实际芯片中会导致影响时序的局部电压降。他们看到频率神秘地下降了10%，这是由于他们没有预料到的电压下降情况，可能是由于动态电压下降，而动态电压下降已经完全超过了传统的静态固有电压下降。挑战在于确定哪些开关组合是现实的，哪些开关组合会导致最差的电压降，以及如何缓解这些问题，如何修复这些问题。但在整个芯片上覆盖冗余以抵消这一点的想法是不可行的。这已经成为一个非常困难的问题，你需要更聪明的技术来识别现实的切换。”

此外，基于防护带不再是一种选择的事实，冗余度可能决定哪种工艺——或者在先进封装的情况下，哪种工艺最适合特定的设计。Movellus的费萨尔说：“先进的节点还不成熟。”。“有更多的变化，电线中有更多的电阻，你可以通过提高电压来支付。栅极的电压可以降到0.6伏，但即使是3纳米，你也必须保持在0.75伏左右。这一切都是有余量的。”

结论

如何分配冗余以及分配给哪些群体正在成为一个重大挑战。它不再局限于一个流程或流程的一部分。相反，冗余需要在一个系统的背景下考虑，有时甚至是一个系统的系统，并且需要将其视为跨越多个组的总数。

目标是提高可靠性，冗余会影响处理元件、存储器、芯片架构的选择，并最终影响信号的完整性和系统的弹性。它是每个设备的核心，尽管它对于设计到制造链的不同部分并不总是显而易见。如今的芯片行业正在努力应对冗余持续减少的影响，以及如何弥补宝贵捷径的损失。

编译：芯智讯-浪客剑

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