3nm制程代工價格再破新高，高質(zhì)芯片如何保障？

繼2022年6月30日，三星電子官宣開始量產(chǎn)基于GAA晶體管結(jié)構(gòu)的3nm芯片后，臺積電也在2022年末在臺南科學(xué)園區(qū)高調(diào)舉辦了3nm量產(chǎn)擴(kuò)廠典禮，也就是說目前先進(jìn)制程的兩大玩家都已經(jīng)達(dá)成了3nm制程的量產(chǎn)條件。不過，現(xiàn)在先進(jìn)制程的代工價格可不低，據(jù)業(yè)內(nèi)人士消息，3nm制程的代工價格已經(jīng)突破了2萬美元每片晶圓，這就意味芯片廠商需要花費近14萬元人民幣才能加工一片12英寸的晶圓，生產(chǎn)出數(shù)百顆芯片。

除了價格昂貴，先進(jìn)制程節(jié)點下同一顆芯片上的晶體管數(shù)量也會呈指數(shù)級增加，這必然會導(dǎo)致制造流程可變性增加等一系列問題，這種情況下，芯片開發(fā)者該如何保證芯片的品質(zhì)、安全性和可靠性呢？傳統(tǒng)的芯片開發(fā)流程是在流片（Tape Out）階段來解決所有設(shè)計問題，但在設(shè)計日益復(fù)雜的今天，這一方法顯得有點滯后了，因此，需要一種全新的解決方案，即通過連通并整合每一個階段的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)芯片與系統(tǒng)生命周期的詳盡分析與管理，從而優(yōu)化每一環(huán)節(jié)，以確保獲得理想的結(jié)果。

從PLM到SLM對芯片和終端系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化

數(shù)十年來，各行各業(yè)的公司都會通過產(chǎn)品生命周期管理（PLM）工具來管理其產(chǎn)品從生產(chǎn)初期到市場部署整個流程中的狀況。半導(dǎo)體芯片從上世紀(jì)50年代開始至今，已經(jīng)和我們的日常生活息息相關(guān)。而在這個數(shù)字化革命的過程中并沒有出現(xiàn)類似PLM對半導(dǎo)體產(chǎn)品提供更專業(yè)化生命周期管理的產(chǎn)品。一直到最近幾年才開始出現(xiàn)專門針對芯片的管理流程------芯片生命周期管理（Silicon Lifecycle Management，簡稱SLM）概念，并逐漸獲得業(yè)界認(rèn)可。

新思科技從半導(dǎo)體產(chǎn)品軟硬件開發(fā)、設(shè)計仿真、產(chǎn)品制造，乃至In-Field應(yīng)用的場景出發(fā)，提供不同的軟硬件產(chǎn)品、仿真工具、數(shù)據(jù)集成和分析一體化解決方案。打造了一個完整的，貫穿整個產(chǎn)品生命周期的SLM平臺。

其實，SLM基于的是PLM產(chǎn)品生命周期管理的理念，新思科技EDAG事業(yè)群，資料分析部門的研發(fā)與運(yùn)營總監(jiān)Paul Simon博士在接受采訪時表示，新思科技的策略是將芯片設(shè)計、驗證測試、制造與部署的每一個階段所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)加以連接，并整合到同一云端系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，它能夠收集，并分析這些數(shù)據(jù)，用以改善芯片性能、速度、量產(chǎn)良率、品質(zhì)管控以及上市時間等重要核心指標(biāo)，從而提升芯片產(chǎn)品的整體價值。

當(dāng)然，通過SLM平臺的檢測和分析，芯片開發(fā)者能夠根據(jù)分析結(jié)果對芯片和終端用戶系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)的優(yōu)化。

通過對品質(zhì)的持續(xù)智能分析，能夠有效的使整個芯片產(chǎn)品生命周期運(yùn)作狀況指標(biāo)顯著提升。

SLM流程主要包括以下兩個階段：

在芯片設(shè)計環(huán)節(jié)加入傳感器、監(jiān)視器等IP，來提供設(shè)計環(huán)節(jié)中所生成的大量芯片數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)υO(shè)備生產(chǎn)以及實際性能進(jìn)行深入分析

高效的產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)庫及平臺，對跨越產(chǎn)品生命周期的各階段各類數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和分析，為設(shè)計、生產(chǎn)和客戶現(xiàn)場優(yōu)化提供支持

在SLM流程的一開始，先加入關(guān)鍵的PVT監(jiān)視器和結(jié)構(gòu)傳感器等硬件，這些傳感器基本上就是設(shè)備的眼睛、耳朵和各種感官，能夠為開發(fā)者帶來極高的芯片數(shù)據(jù)可見度。

接著，將這些萃取出的芯片數(shù)據(jù)用來校準(zhǔn)設(shè)計模型的參數(shù); 諸如環(huán)形振蕩器的量測資料、關(guān)鍵電路路徑測試的結(jié)果，以及制程/電壓/溫度（PVT）監(jiān)視器的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)收集工具將原始數(shù)據(jù)與智能集成自動化相結(jié)合，提供給系統(tǒng)對芯片的每個生命階段進(jìn)行目標(biāo)性分析，開發(fā)者再根據(jù)分析結(jié)果對每個設(shè)計階段進(jìn)行優(yōu)化。

也就是說，通過SLM，開發(fā)者可以高效實踐“觀察、控制和優(yōu)化”的理念。嵌入式監(jiān)視器與傳感器收集和反饋的實時數(shù)據(jù)和參數(shù)，可直接轉(zhuǎn)化為對芯片系統(tǒng)的質(zhì)量、性能和可靠性的提升。

SLM還能夠?qū)κ褂弥械漠a(chǎn)品維護(hù)和故障情況進(jìn)行預(yù)測，因此超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、消費電子和汽車等應(yīng)用場景對SLM的應(yīng)用也日漸廣泛

SLM帶來的好處

采用成熟的SLM平臺，芯片開發(fā)者可深度實現(xiàn)生命周期可見性，獲得充分分析結(jié)果，增進(jìn)對芯片器件的控制機(jī)制，包括動態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）。這些特性相互結(jié)合，大大優(yōu)化了電源器件操作和數(shù)據(jù)吞吐性能。

然而值得注意的是，部署單個產(chǎn)品或工具無法實現(xiàn)端到端的生命周期管理，因此需要集成各種SLM組件，確保實現(xiàn)特定應(yīng)用的優(yōu)勢。例如，高容量消費應(yīng)用可以利用SLM工具和流程，參照芯片的參數(shù)反饋，降低設(shè)計限制帶來的影響。這樣一來，就可以進(jìn)行設(shè)計調(diào)整，提高統(tǒng)計異常數(shù)據(jù)和未來潛在故障器件的可見性。

在實時系統(tǒng)管理中，如果在整個片上處理器內(nèi)核中部署，高顆粒熱傳感解決方案可以對超大規(guī)模數(shù)據(jù)應(yīng)用的功耗性能進(jìn)行優(yōu)化。這對超大規(guī)模數(shù)據(jù)應(yīng)用尤其關(guān)鍵，因為即使是再輕微的功耗降低也可能對大型云服務(wù)器配置產(chǎn)生指數(shù)級的節(jié)能有所影響。熱傳感精度的小幅提高，或許讓每個處理器芯片每小時降低功耗不到一美分。雖然在芯片層面看上似并不明顯，但對于大型數(shù)據(jù)中心配置而言，這樣的小幅優(yōu)化卻每年可以節(jié)省高達(dá)數(shù)百萬美元?？紤]到服務(wù)器在生命周期內(nèi)的運(yùn)行成本高于初始購買價格，任何幅度的功耗降低都是有意義的。

在汽車應(yīng)用中，對老化和劣化因素的持續(xù)評估（如用戶工況、熱應(yīng)力和電源電壓應(yīng)力）將為車載電子系統(tǒng)的維護(hù)和更新提供更具預(yù)測性的方法。如果這些系統(tǒng)對故障的預(yù)測性更強(qiáng)，可以考慮在設(shè)計中采用商業(yè)級芯片，從而達(dá)到縮減成本，提升確定性的優(yōu)勢。

引入AI，SLM為芯片設(shè)計加速

芯片數(shù)據(jù)的可見性對于開發(fā)者來說異常重要，前面有提到，如果想獲得更多的數(shù)據(jù)，就需要集成各種SLM組件，新思科技推出的SLM平臺可在芯片生命周期的各個階段優(yōu)化芯片狀況。它包含了多個集成解決方案和功能：

廣泛的指標(biāo)監(jiān)測IP和訪問基礎(chǔ)設(shè)施可以收集芯片運(yùn)行數(shù)據(jù)的方方面面。指標(biāo)監(jiān)測包括環(huán)境、結(jié)構(gòu)監(jiān)控器和測試結(jié)構(gòu)

一套全面的檢測集成和驗證流程，可直接連接至新思科技的Fusion RTL至GDSII 實施系統(tǒng)

半導(dǎo)體制造分析引擎以及良率管理引擎，可優(yōu)化運(yùn)行效率，提升總體良率

自主優(yōu)化平臺，可自動實時提高計算系統(tǒng)性能

為了完善其SLM平臺戰(zhàn)略布局，新思科技在過去三年年間先后完成了在片內(nèi)監(jiān)控PVT傳感器、硅后大數(shù)據(jù)分析平臺、實時現(xiàn)場優(yōu)化技術(shù)等在內(nèi)的重要技術(shù)收購。同時，在公司內(nèi)部，通過將SLM與EDA和IP技術(shù)相整合，構(gòu)建成了完整的一體化平臺，可提供海量數(shù)據(jù)分析引擎及高速的數(shù)據(jù)視覺化、分析和模型化功能，讓芯片設(shè)計與產(chǎn)品工程團(tuán)隊能夠更有效率且迅速地解決重要的核心議題，把握關(guān)鍵產(chǎn)品的上市時間。

眾所周知，先進(jìn)制程的芯片制造流程是非常復(fù)雜的，需要在不同制程節(jié)點、不同晶圓廠之間實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的有效連接，技術(shù)挑戰(zhàn)極大。新思科技將收購后的SiliconDash技術(shù)加入SLM產(chǎn)品平臺， 從而在SLM中能夠?qū)崿F(xiàn)跨越產(chǎn)品生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)鏈，高效整合多樣化多維度量產(chǎn)制造數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上助力產(chǎn)品量產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，產(chǎn)品追溯，自動化預(yù)警及管控方案。對產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)出和其他針對量產(chǎn)的operation管理提供服務(wù)。同時利用基于real time的邊緣計算數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，讓數(shù)據(jù)快速對接，轉(zhuǎn)化成有效的分析決策與行動，為芯片設(shè)計加速。

結(jié)語

SLM給出了芯片設(shè)計和維護(hù)的一個全新方向！它適用于芯片全生命周期中的不同階段，從早期的設(shè)計、驗證、制造生產(chǎn)、測試、除錯和產(chǎn)品實際上線到現(xiàn)場運(yùn)作。而新思科技的SLM平臺可通過分析芯片上監(jiān)視器和傳感器的數(shù)據(jù)，來完成對芯片全生命周期運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和追蹤，進(jìn)而可以持續(xù)對每個階段都進(jìn)行優(yōu)化。

未來，開發(fā)者可以通過SLM來追蹤其設(shè)計的芯片在不同設(shè)備中的運(yùn)作情況，并通過收集到的數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化其芯片和終端產(chǎn)品，可以說，SLM很可能會改變整個先進(jìn)制程設(shè)計領(lǐng)域的游戲規(guī)則。

審核編輯 ：李倩