關(guān)于芯片面臨的新挑戰(zhàn)分析和介紹

隨著芯片打入汽車(chē)、云計(jì)算和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等市場(chǎng)，芯片的可靠性逐漸成為開(kāi)發(fā)者關(guān)注的重要問(wèn)題。事實(shí)也證明，隨著時(shí)間的推移，芯片想要達(dá)到目標(biāo)的功能將會(huì)變得越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)。

在過(guò)去，芯片的可靠性一般被歸結(jié)為代工問(wèn)題。那些專(zhuān)為電腦和手機(jī)設(shè)計(jì)的芯片可以在最高性能下正常使用平均兩到四年，兩到四年后，芯片功能開(kāi)始下降，用戶(hù)升級(jí)到產(chǎn)品的下個(gè)版本，后者具有更多功能、更好的性能以及更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間。

但是隨著芯片打入新的市場(chǎng)或過(guò)去不太成熟的電子產(chǎn)品市場(chǎng)，如汽車(chē)、機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、家庭自動(dòng)化、云、加密貨幣挖掘等，這不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。

每個(gè)終端市場(chǎng)都有其獨(dú)特的需求和特點(diǎn)，影響芯片的使用方式和條件，而芯片的使用方式和條件又會(huì)對(duì)老化、安全等其它問(wèn)題產(chǎn)生重大影響。考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

可靠性不再僅僅以年計(jì)量。用例正在發(fā)生巨大的變化?，F(xiàn)在的汽車(chē)在90％到95％的時(shí)間是閑置的，但自動(dòng)駕駛汽車(chē)可能只有5％到10％的時(shí)間在閑置。這會(huì)影響電子產(chǎn)品的架構(gòu)和開(kāi)發(fā)技術(shù)的潛在商業(yè)模式。

隨著邊緣電子設(shè)備變得更加復(fù)雜，人們對(duì)功能性和「足夠好」的定義也有所不同。過(guò)去，如果無(wú)人機(jī)或機(jī)器人上的攝像頭被損壞或弄臟，通常會(huì)被換掉。但隨著邊緣設(shè)備中的電子產(chǎn)品變得越來(lái)越復(fù)雜，可以保證其有足夠功能的條件下，補(bǔ)償已破裂的攝像頭。另一方面，由于更嚴(yán)格的系統(tǒng)容差，在不太復(fù)雜的系統(tǒng)中可被接受的部分在復(fù)雜的系統(tǒng)中可能不會(huì)被接受。

影響老化和質(zhì)量建模的因素比過(guò)去更多。雖然其中一些在開(kāi)發(fā)芯片時(shí)可能不明顯，但與在PCB上相比，一個(gè)已知良好的芯片與其它芯片封裝在一起時(shí)可能有不同的表現(xiàn)。

整個(gè)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，用例（use cases）在發(fā)生變化。即使在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部也是如此，盡管歷史上在采用新技術(shù)和新方法時(shí)數(shù)據(jù)中心也非常保守。

Arm首席執(zhí)行官Simon Segars說(shuō)：「老化是時(shí)鐘速度和功耗的函數(shù)，過(guò)去在運(yùn)行過(guò)程中偶爾會(huì)用到服務(wù)器，大部分時(shí)間它們處于閑置狀態(tài)。但當(dāng)你轉(zhuǎn)移到云端時(shí)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)需要有所不同，因?yàn)檫@取決于其使用時(shí)間。這引發(fā)了很多關(guān)于如何設(shè)計(jì)可以延長(zhǎng)壽命的問(wèn)題?！?/p>

在千禧年開(kāi)始的時(shí)候，服務(wù)器的平均利用率約為5％到15％，這一趨勢(shì)在20世紀(jì)90年代一直存在，因?yàn)镮T管理人員為了避免設(shè)備故障，不愿意在單個(gè)商品服務(wù)器上運(yùn)行一或兩個(gè)應(yīng)用程序。后來(lái)兩件事改變了這種情況，首先，能源成本開(kāi)始上升，其次，也許更重要的是，為了使公司的IT部門(mén)而不是其設(shè)備部門(mén)負(fù)責(zé)其能源成本，公司進(jìn)行了重組。這兩個(gè)因素都導(dǎo)致了虛擬化軟件銷(xiāo)售的猛增，以提高服務(wù)器的利用率，這意味著更少用來(lái)供電和降溫的服務(wù)器機(jī)架。

云將這種運(yùn)營(yíng)效率提升到了更高的水平。云操作的目的是通過(guò)平衡整個(gè)數(shù)據(jù)中心的計(jì)算作業(yè)來(lái)最大化利用率。這將數(shù)據(jù)中心內(nèi)而不是一個(gè)機(jī)架上的所有服務(wù)器的利用率顯著提高，并可以在不需要時(shí)快速關(guān)閉它們。這種方法節(jié)約了能源，但卻對(duì)電子電路的退化和老化造成了很大影響。

Helic市場(chǎng)副總裁Magdy Abadir表示：「芯片正在加速老化從而發(fā)生故障。它們時(shí)鐘可能會(huì)缺失或發(fā)生額外的抖動(dòng)，或是發(fā)生電介質(zhì)擊穿。任何時(shí)候都有可能發(fā)生一件什么事讓你擔(dān)心。在偶爾使用電子產(chǎn)品的時(shí)代許多老化模型是先進(jìn)的，但現(xiàn)在芯片一直在運(yùn)行，在芯片內(nèi)部，模塊也在升溫，因此老化加速，而老化的芯片會(huì)出現(xiàn)各種奇怪的現(xiàn)象。許多公司目前還沒(méi)有修改他們的老化模型。他們假設(shè)這些設(shè)備可以持續(xù)三到四年，但它們可能很快就失效?？紤]到從開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)的利潤(rùn)就很小，老化可能將他們拋棄?！?/p>

在汽車(chē)領(lǐng)域芯片利用率趨勢(shì)也在發(fā)生變化，并且會(huì)持續(xù)到可以取代人類(lèi)司機(jī)的全自動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)的時(shí)候。汽車(chē)正在處理越來(lái)越多的數(shù)據(jù)，其中一些從雷達(dá)、激光雷達(dá)和照相機(jī)等傳感器流式傳輸而來(lái)。所有這些數(shù)據(jù)處理的時(shí)間都需要比過(guò)去更短，準(zhǔn)確度更高，這些給電子設(shè)備帶來(lái)了巨大的壓力。

ADAS的首席技術(shù)專(zhuān)家Norman Chang說(shuō)：「與過(guò)去的兩到五年不同，ADAS的可靠性至少為十五年。老化不僅僅指時(shí)間上的老化，也與負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性（NBTI）、與熱量有關(guān)的電遷移率、靜電放電（ESD）和熱耦合有關(guān)?！?/p>

圖1：芯片和封裝的熱建模。來(lái)源：ANSYS

雖然許多汽車(chē)一級(jí)供應(yīng)商都構(gòu)建可以承受極端溫度、機(jī)械震動(dòng)和各種噪聲的芯片，但使用較長(zhǎng)時(shí)間的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)CMOS從未有過(guò)這類(lèi)壓力。許多業(yè)內(nèi)人士證實(shí)，汽車(chē)制造商正在開(kāi)發(fā)10 / 7nm芯片來(lái)管理所有這些數(shù)據(jù)，并在前沿節(jié)點(diǎn)工作，避免他們的設(shè)計(jì)過(guò)時(shí)，這些設(shè)計(jì)通常用于近幾代的汽車(chē)。問(wèn)題在于實(shí)際數(shù)據(jù)非常少，無(wú)法證明隨著時(shí)間的推移，這些設(shè)備在任何環(huán)境條件下可以可靠運(yùn)行。

Segars說(shuō)：「你必須做不同的設(shè)計(jì)。有一種想法是，你將需要更少的汽車(chē)，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)一直處于閑置狀態(tài)。但另一派認(rèn)為自動(dòng)駕駛汽車(chē)將跑得越來(lái)越快，也將會(huì)快地磨損，最后所有東西都會(huì)磨損。挑戰(zhàn)在于，確保電子部件不會(huì)比機(jī)械部件先磨損，這就要求設(shè)計(jì)有所不同。這包括從嚴(yán)肅對(duì)待噪聲到減小峰值電流的所有事情?！?/p>

更薄的絕緣層，更薄的襯底

增加芯片可靠性的一個(gè)諷刺之處在于它與50年來(lái)半導(dǎo)體發(fā)展相矛盾，因?yàn)闉榱私档统杀久績(jī)赡瓿叽缇蜁?huì)縮小，也就意味著更薄的電介質(zhì)、更細(xì)的線以及更大的動(dòng)態(tài)功，而且，襯底也會(huì)越來(lái)越薄。在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)工藝，這會(huì)導(dǎo)致更高的漏電流、更多的噪聲、更大的電遷移率和其它電學(xué)效應(yīng)。

Fraunhofer EAS質(zhì)量和可靠性的部門(mén)經(jīng)理André Lange說(shuō)：「從電路角度來(lái)看，你知道必須考慮工藝變化。但從設(shè)計(jì)功能的角度來(lái)看，這與處理系統(tǒng)中已知缺陷時(shí)可能發(fā)生什么有關(guān)。如果你看一下自動(dòng)汽車(chē)，有一個(gè)中央處理單元來(lái)決定從哪個(gè)傳感器中使用哪些信息。其中一個(gè)可能會(huì)很臟或不能運(yùn)行。」

這使退化模型變得更加復(fù)雜，因?yàn)樗枰谙到y(tǒng)環(huán)境中完成。Lange說(shuō)：「許多情況都會(huì)導(dǎo)致電路退化，無(wú)論是NBTI還是指定面積上的更多缺陷，或是更大的工藝偏差?！顾赋?，一個(gè)很大的挑戰(zhàn)是確定導(dǎo)致缺陷的原因，而不是所有可用的龐大的數(shù)據(jù)。

圖2：出什么問(wèn)題了。來(lái)源：Fraunhofer

不同的方法

每個(gè)新的節(jié)點(diǎn)下工藝偏差都會(huì)增加。在過(guò)去的十年里，智能手機(jī)推動(dòng)了縮小路線圖（iPhone于2007年推出）的前進(jìn)。現(xiàn)在，先進(jìn)節(jié)點(diǎn)技術(shù)的最大用戶(hù)是用于數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、AI和云的服務(wù)器。

工藝偏差和可靠性之間的聯(lián)系已有詳細(xì)的記錄，但偏差的存在使老化模型更難準(zhǔn)確地建立。為解決這個(gè)問(wèn)題，提出過(guò)許多不同的方法，從復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)建模和仿真到將傳感器放在芯片上或?qū)ζ溥M(jìn)行封裝。

Synopsys 5nm相關(guān)的首席研發(fā)工程師Ralph Iverson說(shuō)：「有熱源時(shí)，你必須使用本地和全球「隨機(jī)漫步」的方法來(lái)跟蹤溫度。隨機(jī)漫步的情況下，電壓是其周?chē)妷旱钠骄?，因此增量是零。?/p>

這有助于建模，但據(jù)Iverson說(shuō)中，在5nm及以下的工藝下，電阻率并不總是干凈的。有表面效應(yīng)存在，數(shù)據(jù)并不一定代表銅的連通，我們還需要更多的本地化數(shù)據(jù)來(lái)判斷。因此，混合類(lèi)的方法開(kāi)始出現(xiàn)，因?yàn)檫@種不確定性很難去抽象。

西門(mén)子商業(yè)公司Mentor的AMS產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Mick Tegethoff表示：「汽車(chē)行業(yè)對(duì)雙極CMOS DMOS（BCD）進(jìn)行了很好的調(diào)查，但我們也看到了對(duì)先進(jìn)CMOS的要求和需求。我們看到了代工廠更多的興趣， EDA公司正在模擬壓力造成的 老化。這夠了嗎？任何一種建模都是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的近似，所以你要進(jìn)行電路仿真，并盡可能構(gòu)建一個(gè)可持續(xù)使用的芯片，但之后你需要進(jìn)行物理測(cè)試或類(lèi)似的事情，比如把它放在烤箱里來(lái)制造物理壓力?，F(xiàn)在有許多電子產(chǎn)品都要進(jìn)行這種測(cè)試。」

模擬與數(shù)字

到目前為止，大多數(shù)老化/退化建模都集中在數(shù)字電路上。模擬為老化提供了一個(gè)不同的視角。

Moortec首席技術(shù)官Oliver King表示：「由于產(chǎn)品核心部件有領(lǐng)先的芯片，因此公司對(duì)老化和工藝偏差有很好的理解，所以它們不會(huì)盲目前進(jìn)。模擬有許多可變的效應(yīng)。數(shù)字芯片可能會(huì)不能使用，但對(duì)于模擬來(lái)說(shuō)，它可能稍微不好或電路稍有缺陷，所以你必須對(duì)此進(jìn)行調(diào)整。傳統(tǒng)模擬開(kāi)發(fā)人員不像數(shù)字開(kāi)發(fā)人員那樣推動(dòng)幾何效應(yīng)的增長(zhǎng)。電遷移仍是一個(gè)問(wèn)題，電流密度也是問(wèn)題，但并沒(méi)有出現(xiàn)很多老化效應(yīng)。盡管如此，芯片也需要更積極的維修，以及是否要采取行動(dòng)。」

Rambus產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Frank Ferro觀點(diǎn)類(lèi)似：「有了物理層（PHY），最大的挑戰(zhàn)是環(huán)境溫度。隨著溫度的升高，性能發(fā)生漂移，所以你需要重新校準(zhǔn)。對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，有「圣誕節(jié)測(cè)試」這種東西。在天冷的時(shí)候，你在車(chē)庫(kù)里存放一臺(tái)Playstation或其他電子設(shè)備，然后在圣誕節(jié)早上開(kāi)啟它，電路需要能夠從冷開(kāi)始馬上運(yùn)作。這與汽車(chē)或基站的存儲(chǔ)系統(tǒng)類(lèi)似。老化會(huì)對(duì)這些系統(tǒng)產(chǎn)生影響，你需要重新校準(zhǔn)系統(tǒng)來(lái)減弱這些影響?！?/p>

Ferro說(shuō)，物理層經(jīng)過(guò)與數(shù)字元件相同的資格認(rèn)證，包括老化和電壓和溫度變化的測(cè)試。但物理層的設(shè)計(jì)目的是隨著這些變化而變化，這些很難被設(shè)計(jì)成數(shù)字電路，特別是在先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)工藝，先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)工藝下，margining對(duì)功率和性能有一定的影響。

模擬電路通?；谒^的「任務(wù)概況」而設(shè)計(jì)。因此，自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的特定功能將代表為自動(dòng)駕駛汽車(chē)IP設(shè)計(jì)的任務(wù)概況。

Cadence的IC和PCB部門(mén)高級(jí)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Art Schaldenbrand說(shuō)：「我們看到的一個(gè)重要問(wèn)題是，根據(jù)它們的運(yùn)作方式，不僅有一種情況。設(shè)備失效有很多可能，所以我們看不同的壓力下什么可能會(huì)失效。10％的設(shè)備偏置溫度不穩(wěn)定性（BTI）可能會(huì)導(dǎo)致失效，但這是最糟糕的壓力。所以我們需要更好的方式來(lái)表達(dá)退化。finFET與平面器件的應(yīng)力不同，所以需要模擬不同的現(xiàn)象?！?/p>

封裝和其他未知

隨著摩爾定律的減緩，越來(lái)越多的公司開(kāi)始采用先進(jìn)的封裝來(lái)提高性能，并提供更多的設(shè)計(jì)靈活性。目前為止，，如何對(duì)先進(jìn)的包裝進(jìn)行建模以確定壓力和老化尚不完全清楚。一部分原因在于，有很多的封裝可供選擇，沒(méi)有人能確定哪一個(gè)是最好的。還有一部分的原因在于，許多這些封裝都相對(duì)較新，封裝內(nèi)部需要隨著時(shí)間去探究。

Helic Abadir說(shuō)：「封裝層可能太靠近其他組件或來(lái)自另一側(cè)的應(yīng)力。這需要建模。及時(shí)在其老化之前，它也必須建立其老化模型，因?yàn)樾?yīng)在增多。所以放置方式尤其重要，如果你移動(dòng)一下，那你就改變了共振頻率。沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法。你必須通過(guò)分析和設(shè)計(jì)，如果發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，你可能需要移動(dòng)?！?/p>

復(fù)雜設(shè)計(jì)中還有其他異常會(huì)隨著時(shí)間的推移影響可靠性。例如，一些使用模型可能比其他模型更頻繁地開(kāi)啟和關(guān)閉電路，這會(huì)給電路帶來(lái)壓力。

Cadence高級(jí)軟件架構(gòu)師Jushan Xie說(shuō)：「如果有些東西閑置太久，就會(huì)與其它電路經(jīng)歷不同的老化。設(shè)備越小，老化效應(yīng)越強(qiáng)。壓力越大，老化越快?！?/p>

所有這些將如何處理尚不完全清楚。至少其中一些將涉及新材料和新技術(shù)。

Mentor電子產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理John Parry表示：「對(duì)于電力電子產(chǎn)品，這推動(dòng)了從硅基器件到碳化硅和氮化鎵（GaN）的轉(zhuǎn)變，這種器件可以以更高的開(kāi)關(guān)頻率工作，具有更高的效率和更高的溫度。在某些應(yīng)用中，在某些應(yīng)用中，這可以使電力電子器件更靠近電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而進(jìn)入更高溫度的環(huán)境。在其他情況下，半導(dǎo)體能夠承受更高的溫度意味著需要更少的冷卻。但是，半導(dǎo)體必須進(jìn)行封裝，封裝也必須能夠承受較高的溫度。在新技術(shù)方面有巨大的投資，比如燒結(jié)銀用作芯片附著材料，不使用傳統(tǒng)的引線鍵合，所以IGBT等功率器件的封裝在材料、加工技術(shù)和設(shè)計(jì)方面經(jīng)歷了巨大的變化。 ”

結(jié)論

隨著設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)或出于安全考慮新市場(chǎng)中使用時(shí)間的增加，老化、壓力和其他效應(yīng)變得越來(lái)越成問(wèn)題。

Fraunhofer的 Lange 說(shuō)：「這取決于客戶(hù)今天提出的問(wèn)題。談話(huà)的對(duì)象不同，他們的出發(fā)點(diǎn)不同，但問(wèn)題的頻率有更大的。許多人只在開(kāi)始，他們看到了更高的電壓和更高的溫度，并在進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)來(lái)推斷過(guò)應(yīng)力。但了解退化如何影響整個(gè)電路更困難。 對(duì)于復(fù)雜的芯片還有很多工作要做。」

但隨著對(duì)它的重視，解決這些問(wèn)題的投資也會(huì)增加。芯片設(shè)計(jì)師剛剛注意到退化建模和老化問(wèn)題。 與十年前的功耗一樣，這一切都將改變。