chiplet小芯片时代中的国产eda

2023-02-28 08:52:01

随着多芯粒(die)封装从2d逐渐过渡到3d,高带宽高密度互连的异构集成和chiplet成了最近很火的一个技术方向。因为chiplet不仅可以帮助系统公司更容易地自定义创新芯片,也可以帮助中小型的芯片公司和团队降低创新门槛,把资源投入在核心创新点上。


简单而言,异构集成和chiplet是将不同工艺制程、不同性质的芯片以二维拆解或三维堆叠的方式,整合在一个封装体内的集成电路。3dic产业在硅基集成电路产业发展的基础上,增加了各类堆叠和互连技术,比如2.5d硅中介基板与硅通孔(tsv)。此外,在传统封测产业的发展基础上,也有技术的延展,比如支持超小互连密度的有机中介载板等。


从“单打独斗”到“纵横捭阖”


chiplet中其实包含了很多eda相关的新技术,比如说与制造相关的功耗分析、散热分析等。但目前,不但国外商业工具占据了eda市场的大部分市场份额,现有的大部分也都是点工具和碎片化方案,都停留在单芯片流程和单芯片模式,无法高效承载多芯片模式下的chiplet设计,尤其是在工艺适配完整方案方面。同时,chiplet芯片的设计验证也对传统eda工具提出了新的要求,特别是在验证技术和工具方面,实际上已经成为chiplet发展的瓶颈之一。


芯华章科技首席市场战略官谢仲辉指出,当前这种以单一公司完成chiplet soc全系统设计为主的模式,在未来会被多厂商合作的新型chiplet流程模式打破,并在ip建模、互连架构分析等系统级性能(performance)、功耗(power)和功能(function)验证方面,提出新的验证需求。


“要实现全新的chiplet产业结构,不能仅仅只解决制造问题,必须要通过异构、系统集成的方式,体现从系统设计出发的理念。”谢仲辉表示,在制程工艺逼近极限的当下,半导体设计产业开始更多考虑系统、架构、软硬件协同等要素,从系统应用来导向、从应用来导向去驱动芯片设计,让用户得到更好的体验。


为此,芯华章也提出了针对性的“敏捷验证”方案,以低成本、高效率迭代为核心,明确指出“自动和智能的快速迭代”、“提早进行系统级验证”、“统一的数据库和调试手段”三大技术方向,加速系统设计与架构创新,从整体上降低芯片开发的成本、风险和难度。


华大九天副总经理郭继旺在接受本刊采访时称,国内eda相对起步较晚,目前尚无成熟的chiplet设计商用方案,工艺适配技术也才起步,和国外领先的各大eda版图工具还有一定的差距。“无论是国外还是国内,在eda方案中,高效智能的工艺适配chiplet pdk及设计验证技术都是chiplet设计面临的一个重大瓶颈问题。”他说,业界迫切需要一套针对chiplet设计和验证的eda工具,并开发适配chiplet工艺以及eda工具的先进封装pdk,再联合chiplet设计公司进行设计验证,形成从制造、设计到eda协同发展的闭环生态系统。


从设计方法学角度来看,从早期的规划、布局布线,到验证分析,再到结合了封装基板设计的各类技术,异构集成和chiplet小芯片微系统与硅基模拟集成电路设计的方法学也是相似的。所以郭继旺建议指出,国内3dic eda的发展,可以以模拟芯片设计软件技术为基础,结合封装设计的各个模块进行融合,并进一步开发缺失以及有差异化的模块,形成一套3dic微系统设计eda全流程工具。


芯和半导体联合创始人、高级副总裁代文亮博士则将异构集成和chiplet对eda的影响归结为两个方面:首先,采用chiplet技术将逻辑、模拟、存储等功能模块集成到单颗芯片后,传统单一功能的分析变成了复杂的系统级协同仿真,如信号、电源、热、应力、版图等方面的一致性设计,使得eda工具需要应对芯片设计与仿真越来越复杂的挑战


其次,单芯片规模呈现爆发性增长,业界领先处理器芯片的晶体管集成已超千亿,十分庞大,各单点分析工具的模型和接口设置转换繁琐,对eda工具全流程自动化提出了更高的要求,eda工具设计效率要持续提高匹配芯粒发展的需求


经过十多年的积累和沉淀,芯和半导体已经发布了chiplet先进封装设计分析全流程eda平台,这是业界首个用于3dic多芯片系统设计分析的统一平台,为客户构建了一个完全集成、性能卓著且易于使用的环境。据悉,该平台提供了从架构探索、物理实现、分析验证、信号完整性分析、电源完整性分析到最终签核的3dic全流程凯发官网入口首页的解决方案,是一个完全集成的单一操作环境,极大地提高3dic设计的迭代速度,并做到了全流程无盲区的设计分析自动化。它突破了传统封装技术的极限,同时支持芯片间几十万根的互连,具备在芯片-中介层(interposer)-封装整个系统级别的协同仿真分析能力。


同时,该平台还提供了设计分析自动化功能,具备信号/电源完整性快速评估和优化,通过专属的散热和降噪技术,大大减少设计迭代的次数。“速度-平衡-精度”三种仿真模式可以帮助工程师在chiplet设计的每一个阶段,根据自己的应用场景选择最佳的模式,以实现仿真速度和精度的权衡,更快地收敛到最佳方案。


紧密联合先进工艺



值得我们关注的,不是只有异构集成和chiplet技术。


后摩尔时代诸多新兴应用的兴起,使得ai、gpgpu、hpc、自动驾驶芯片的开发成为市场热点,也导致先进工艺节点下的高端芯片规模、性能要求日益走高,验证复杂度呈几何倍数增长,开发成本越来越昂贵。同时,由于大规模soc的多核复用,业界也需要更新的设计方法学eda工具来解决新的问题。


分析数据显示,28nm工艺开发成本约4000万美元,16nm约9000万美元,而7nm直接飙升至2.5亿美元,5nm就是4.5亿美元,去年宣称开始量产的3nm为5.8亿美元,2nm更是高达7亿多美元,约合人民币50亿元。


另一方面,国内芯片产业近几年获得了高速发展,为了让产品获得更好的市场竞争力,必然会向先进工艺迈进,越来越多的ic设计企业迫切期望得到更贴近国内芯片设计生态和应用需要的eda工具支撑,那么在紧密联合先进工艺,满足行业需求、支持行业发展方面,国产eda的表现又是怎样的呢?


合见工软副总裁刘海燕表示,现在开发一款大规模芯片,验证工程师人数、验证时间和成本都在高速增长,这对验证工具的性能有着很高的要求。另一方面,为了满足对复杂功能的需求,市场上的大部分芯片都采用了多核结构。随着工艺节点趋近极限,晶圆厂已经在探索是否能突破2纳米甚至1纳米的标线,为了追求ppa和成本的最优解,多核多die正成为时下芯片设计的趋势。


自从2021年正式运营以来,合见工软仅在验证领域就已经发布了从原型验证到数字仿真、调试、测试管理等多款产品。“国产eda工具不再是补充中低端应用市场,而是在对标着国际最领先的产品。”刘海燕介绍称,以合见工软原型验证平台uv aps为例,该产品可支持10亿门以上的芯片设计规模,提供基于时序驱动的自动分割,平台的性能及指标可超越国际最领先的原型验证产品。自面世以来,已经在高性能计算、5g通信、gpu、人工智能、汽车电子等国内头部企业中成功部署应用,对优化国产芯片开发效率、节省芯片设计成本起到了决定性作用,填补了国内硬件仿真编译器技术领域的空白。


要应对chiplet在先进封装的挑战,打破在复杂多维空间系统级设计互连,实现数据的一致性和信号、电源、热、应力的完整性,合见工软先后发布了先进封装协同设计环境uvi和其功能增强版。uvi增强版首次真正意义上实现了系统级sign-off功能,可在同一设计环境中导入多种格式的ic、interposer、package和pcb数据,支持全面的系统互连一致性检查(system-level lvs),同时在检查效率、图形显示、灵活度与精度上都有大幅提升。


而在谢仲辉看来,在后摩尔时代工艺逼近极限,先进工艺技术受限的情况下,更应该善用前端eda工具来进行技术创新,走出一条差异化的发展道路。为了达成系统、应用对芯片的要求,将促使大家更多从系统设计角度出发,通过系统、架构的创新,以应用导向驱动芯片设计,实现对系统能力的提升,降低对先进工艺的依赖。


也就是说,通过借助先进的数字前端eda工具,加速芯片设计中的算法创新和架构创新,从而赋能系统级应用创新,某种程度上可以弥补芯片制程工艺落后带来的影响,降低对传统工艺的依赖和限制,降低芯片供应链的风险。


但其实,供应链和生态链的建设始终是国产eda发展和突破的难点之一。eda行业本身是为半导体产业服务的,必须和整个半导体产业共同发展,先进工艺、先进封装和先进设计必须伴随着eda一起成长,因为没有生态链就不存在eda工具的使用。


举例而言,ic设计公司需要eda工具能够支持晶圆厂的pdk工艺,否则就不敢贸然使用,毕竟一旦设计出来的东西不符合晶圆厂工艺需要,造成的损失是不可估量的。然而,晶圆厂对中小eda工具的认证却并不感兴趣——配合eda工具做评估认证需要耗费晶圆厂的技术精力,而认证完毕加入到晶圆厂pdk工艺后,客户一旦在使用过程中出现了问题,晶圆厂同样要承担巨大的风险。


代文亮博士分享了芯和过去几年内在生态链构建方面的经验和成绩。由于常年服务于国内外龙头设计公司和晶圆制造厂,芯和与所有主流晶圆厂、封装厂、全球四大eda公司及全球两大云平台都建立了非常稳定的凯发官网入口首页的合作伙伴关系。目前,芯和eda工具在半导体先进工艺节点和先进封装上不断得到验证,无缝嵌入各大主流eda设计平台中,并在用户易用性方面做了深层优化,全面降低工程师的使用门槛,提升设计质量和效率。




而作为国内最大的eda提供商,郭继旺说华大九天目前在做两方面的工作:一个是补短板实现全流程,另一个就是努力支持先进工艺。针对后者,不但多款仿真和数字产品实现了对5nm工艺的支持,而且同不少拥有先进工艺的晶圆厂保持着紧密合作关系,生态系统建设成绩斐然。


来源:国际电子商情微信公众号


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