愛“拼”才會(huì)贏：Multi-Die如何引領(lǐng)后摩爾時(shí)代的創(chuàng)新？

本文轉(zhuǎn)自半導(dǎo)體行業(yè)觀察

感謝半導(dǎo)體行業(yè)觀察對(duì)新思科技的關(guān)注

過去50多年來，半導(dǎo)體行業(yè)一直沿著摩爾定律的步伐前行，晶體管的密度不斷增加，逐漸來到百億級(jí)別，這就帶來了密度和成本上的極大挑戰(zhàn)。隨著摩爾定律逼近極限，傳統(tǒng)的單片半導(dǎo)體器件已不再能夠滿足某些計(jì)算密集型、工作負(fù)載重的應(yīng)用程序的性能或功能需求。如何進(jìn)一步有效提高芯片性能同時(shí)把成本控制在設(shè)計(jì)公司可承受的范圍內(nèi)，成為了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈一致的難題。

對(duì)此，新思科技提出了一個(gè)新的設(shè)計(jì)理念——“SysMoore”?！癝ys”取自System（系統(tǒng)），指的是要在系統(tǒng)層面提升芯片的性能，而不僅僅是在晶圓中集成更多的晶體管數(shù)量。在SysMoore的時(shí)代，Multi-Die系統(tǒng)正在成為超越摩爾定律和解決系統(tǒng)復(fù)雜性挑戰(zhàn)的解決方案，它能實(shí)現(xiàn)以經(jīng)濟(jì)高效的方式更快地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)功能、降低風(fēng)險(xiǎn)、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、以更低的功耗實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量，以及快速打造新的產(chǎn)品類別。而戈登·摩爾本人也預(yù)言道，“事實(shí)可能證明，用較小的分別封裝并相互連接的功能構(gòu)建大型系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)?！?/p>

圖1：我們正邁入“SysMoore”時(shí)代

將多個(gè)die（或小芯片）放在一個(gè)封裝下的Multi-Die系統(tǒng)，有諸多優(yōu)勢(shì)：

• 以具有成本效益的價(jià)格加速擴(kuò)展系統(tǒng)功能（>2X reticle limits）

• 通過重復(fù)使用經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)/die，降低了風(fēng)險(xiǎn)和上市時(shí)間

• 在降低系統(tǒng)功耗的同時(shí)提高吞吐量，最高可達(dá)30%

• 為靈活的投資組合管理快速創(chuàng)建新的產(chǎn)品變體

那么哪些市場(chǎng)會(huì)比較青睞于采用Multi-Die系統(tǒng)呢？據(jù)新思科技對(duì)采用Multi-Die系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)查，從應(yīng)用領(lǐng)域來看，服務(wù)器/AI占主導(dǎo)地位，網(wǎng)卡/交換機(jī)也比較常用，智能手機(jī)/圖形/PC領(lǐng)域上的采用主要是一些專用芯片，再就是一些光電共封和汽車領(lǐng)域正在向Multi-Die發(fā)展；從制程節(jié)點(diǎn)來看，5nm工藝采用Multi-Die的比例最大，再就是7nm和3nm。

隨著2.5D、3D這樣先進(jìn)封裝技術(shù)的進(jìn)步，Multi-Die系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也越來越成為可能。目前業(yè)內(nèi)已有多個(gè)Multi-Die的商業(yè)實(shí)例，不僅僅是傳統(tǒng)的芯片制造商在向Multi-Die發(fā)展，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心廠商、自動(dòng)駕駛汽車廠商、網(wǎng)絡(luò)公司等也都在設(shè)計(jì)自己的芯片，并以多種方式推動(dòng)Multi-Die架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，譬如AMD 的3D V-Cache、蘋果的M2、英特爾Meteor Lake處理器、索尼的CIS、Lightmatter、特斯拉等。這些廠商對(duì)性能、安全和可靠性有著特殊的要求，Multi-Die則可以滿足他們?cè)谔囟I(lǐng)域下的這些需求。

但是從單片SoC到Multi-Die系統(tǒng)的遷移也不是易事。從單片SoC向Multi-Die系統(tǒng)遷移帶來了必須從整體上解決的獨(dú)特挑戰(zhàn)：例如異構(gòu)系統(tǒng)集成、功耗和熱管理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃、Die-to-Die連接、軟件開發(fā)和建模、系統(tǒng)驗(yàn)證能力/性能、系統(tǒng)簽核分析、分層測(cè)試和修復(fù)、可靠性和安全性、系統(tǒng)良率、內(nèi)存利用率和一致性等等。在做每一個(gè)選擇和決定時(shí)，都應(yīng)考慮到方方面面及其對(duì)設(shè)計(jì)總體PPA目標(biāo)的影響。

圖2：從單片SoC遷移到Multi-Die系統(tǒng)過程中的諸多挑戰(zhàn)

所以此時(shí)就需要EDA和IP產(chǎn)品的介入，來幫助客戶從系統(tǒng)規(guī)劃到實(shí)現(xiàn)和固件/硬件/軟件聯(lián)合開發(fā)，助力Multi-Die系統(tǒng)更好的實(shí)現(xiàn)。

那么，要設(shè)計(jì)Multi-Die系統(tǒng)，從整個(gè)系統(tǒng)的角度來看，有哪些重要的步驟和需要考量的點(diǎn)呢？

首先，在設(shè)計(jì)之初時(shí)，即在早期架構(gòu)探索階段，必須采取分析驅(qū)動(dòng)法來考慮各項(xiàng)宏觀架構(gòu)決策，如IP選擇、硬件/軟件分解、系統(tǒng)級(jí)功耗分析和互連/存儲(chǔ)尺寸標(biāo)注。此外，還要考慮與聚合（利用多個(gè)裸片組裝系統(tǒng)）和分解（將應(yīng)用分解到多個(gè)裸片上）相關(guān)的Multi-Die宏觀架構(gòu)決策。

圍繞幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域做出的早期架構(gòu)決策可以從以下方面改進(jìn)設(shè)計(jì)過程：一是將系統(tǒng)分成多個(gè)裸片，并且要滿足擴(kuò)展、制造和功能的需求；二是需要優(yōu)化Multi-Die系統(tǒng)，包括優(yōu)化帶寬密度、每比特的能量、成本和延遲，選擇芯片的的協(xié)議和接口，如UCIe等；最后是使用Multi-Die系統(tǒng)模型，評(píng)估不同制造和封裝技術(shù)對(duì)性能的影響，加速架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

圖3：對(duì)Multi-Die進(jìn)行早期架構(gòu)探索

架構(gòu)探索做完之后，另一大重要的挑戰(zhàn)是散熱問題。Multi-Die系統(tǒng)將多個(gè)組件集成在一起，密集的晶體管密度產(chǎn)生大量的熱量，尤其是Multi-Die System的架構(gòu)設(shè)計(jì)幾乎沒有什么散熱的空間，如果熱量散不出去，芯片的功能可能會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力或翹曲的影響。所以就需要進(jìn)行熱分析，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行功率分析、電源完整性、電熱模擬、力學(xué)分析，來滿足功耗和散熱關(guān)鍵性能指標(biāo)。

另外很重要的一點(diǎn)是，Multi-Die系統(tǒng)還需要一種統(tǒng)一的方法來進(jìn)行die和封裝的協(xié)同設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)、分析和signoff，以加速這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)閉環(huán)。

同時(shí)，考慮到如此復(fù)雜的系統(tǒng)所運(yùn)行的軟件也相當(dāng)復(fù)雜，必須盡早開始驗(yàn)證過程，因此需要?jiǎng)?chuàng)建多模系統(tǒng)的虛擬原型來支持軟件開發(fā)。Multi-Die系統(tǒng)軟件開發(fā)和系統(tǒng)驗(yàn)證，需要進(jìn)行一些關(guān)鍵的考慮和解決方法。多抽象系統(tǒng)建?？梢岳每焖?、可伸縮的執(zhí)行平臺(tái)，這些平臺(tái)使用虛擬原型、仿真、混合仿真和原型。一般而言，300億的門是Multi-Die最佳的擴(kuò)展系統(tǒng)。通過使用經(jīng)過驗(yàn)證的模型、處理程序、速度適配器，優(yōu)化軟件的驗(yàn)證周期，包括die-to-die接口的驗(yàn)證、Multi-Die系統(tǒng)驗(yàn)證，以此來將啟動(dòng)時(shí)間最小化。

圖4：軟件開發(fā)和系統(tǒng)驗(yàn)證的一些考量和解決方法

值得一提的是，目前工具流程中的自動(dòng)化已經(jīng)提高架構(gòu)探索效率，超越了過去幾年基于電子表格的手動(dòng)預(yù)測(cè)。展望未來，統(tǒng)一的設(shè)計(jì)空間探索將進(jìn)一步提高這個(gè)過程的準(zhǔn)確性和效率。

由此可以看出，Multi-Die系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要理解上述所有設(shè)計(jì)過程之間的相互依賴性。對(duì)此，新思科技提供了業(yè)界較全面、具有可擴(kuò)展的Multi-Die解決方案，為Multi-Die的成功實(shí)現(xiàn)提供了更快的路徑。該解決方案包含全面的EDA工具和IP，不僅支持早期架構(gòu)探索、快速的軟件開發(fā)和驗(yàn)證、高效的裸片/封裝協(xié)同設(shè)計(jì)，以及穩(wěn)健和安全的die-to-die連接，而且還能改進(jìn)芯片的健康狀況和可靠性。久經(jīng)生產(chǎn)考驗(yàn)的設(shè)計(jì)引擎以及黃金簽核和驗(yàn)證技術(shù)能夠更大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)，并加速打造出色的系統(tǒng)。（如下圖5所示）。

圖5：新思科技Multi-Die系統(tǒng)解決方案

具體來看，在早期架構(gòu)探索方面，新思科技的Platform Architect為架構(gòu)師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)基于SystemC事務(wù)級(jí)模型（TLM）的工具和高效方法，可以用于早期分析和優(yōu)化多核 SoC 架構(gòu)的性能和功耗。Platform Architect使開發(fā)者能夠探索和優(yōu)化SoC基礎(chǔ)設(shè)施的硬件—軟件分區(qū)和配置，特別是全局互連和內(nèi)存子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)合適的系統(tǒng)性能、功耗和成本。

圖6：新思科技的Platform Architect工作示意圖

在軟件開發(fā)方面，新思科技的Virtualizer可以加速M(fèi)ulti-Die系統(tǒng)虛擬原型的開發(fā)和部署，Virtualizer解決方案能提供更高的生產(chǎn)力，使開發(fā)者能夠以最快的速度獲得高質(zhì)量的軟件（如圖7所示）。在系統(tǒng)驗(yàn)證仿真方面，新思科技的ZeBu和HAPS則可以用于復(fù)雜軟件和系統(tǒng)驗(yàn)證（圖8）。其中，新思科技ZeBuEP1是業(yè)界首個(gè)統(tǒng)一仿真和原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它能使用戶可以在整個(gè)芯片開發(fā)生命周期中利用這個(gè)單一驗(yàn)證硬件系統(tǒng)。HAPS-100能允許設(shè)計(jì)人員、軟件開發(fā)人員和驗(yàn)證工程師通過HAPS Gateway管理multi-design、多用戶部署，以實(shí)現(xiàn)最大的生產(chǎn)力和成本效率。

圖7

圖8

在Multi-Die系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上，新思科技3DIC Compiler平臺(tái)是一個(gè)完整的端到端解決方案，它結(jié)合了許多變革的、Multi-Die設(shè)計(jì)功能，提供了一個(gè)完整的從架構(gòu)到簽核的平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)高效的2.5D和3D Multi-Die系統(tǒng)集成，其內(nèi)部的黃金signoff工具可以保證每個(gè)參數(shù)都能準(zhǔn)確、完整和方便地signoff。

除此之外，新思科技還可以提供一系列經(jīng)過硅驗(yàn)證的可靠和安全I(xiàn)P，包括用于高帶寬、低延遲的die-to-die連接的UCIe、用于高帶寬、低功耗內(nèi)存的HBM和用于防止篡改和物理攻擊的安全接口等等。

圖9：新思科技可以提供一系列經(jīng)過硅驗(yàn)證的UCIe IP

為了確保最終制造的良率和產(chǎn)品的可靠性，需要對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，包括對(duì)Multi-Die系統(tǒng)中的各個(gè)裸片、內(nèi)存、互聯(lián)以及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面的測(cè)試、調(diào)試、維修，特別是像3DIC這樣的多系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了獨(dú)特的測(cè)試挑戰(zhàn)，IEEE Std 1838-2019就是3DIC一個(gè)必須要滿足的標(biāo)準(zhǔn)。最終保證已知合格裸片（KGD）、封裝和系統(tǒng)的可用性。

圖10：需要對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，對(duì)芯片全生命周期進(jìn)行管理

在測(cè)試方面，新思科技的TestMAX系列可以為半導(dǎo)體設(shè)備的所有數(shù)字、存儲(chǔ)和模擬部分提供創(chuàng)新的測(cè)試和診斷功能。通過完整的RTL集成支持復(fù)雜可測(cè)性設(shè)計(jì)（DFT） 邏輯的早期驗(yàn)證，同時(shí)通過與新思科技Fusion Design Platform的直接鏈接保持物理、時(shí)序和功耗感知。這些新功能，再結(jié)合對(duì)早期可測(cè)試性分析和規(guī)劃、分層ATPG壓縮、物理感知診斷、邏輯 BIST、內(nèi)存自測(cè)試和修復(fù)以及模擬故障模擬的全面支持。

圖11：新思科技的TestMAX 系列

另一方面可以通過芯片全生命周期管理（SLM）技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，SLM將監(jiān)視器集成到設(shè)計(jì)的組件中，以便在設(shè)備的整個(gè)生命周期中提取數(shù)據(jù)，甚至在設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)候。從硅到系統(tǒng)收集到的深入的、可操作的見解允許持續(xù)的分析和優(yōu)化。對(duì)于Multi-Die這一體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)將放在系統(tǒng)上，因此監(jiān)控基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該跨多個(gè)系統(tǒng)，在這方面，新思科技的SLM系列產(chǎn)品改進(jìn)了設(shè)備生命周期每個(gè)階段的操作指標(biāo)，該系列有一整套集成工具、IP和方法，在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)智能高效地收集和存儲(chǔ)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并通過使用強(qiáng)大的分析提供可操作的見解。

圖12：新思科技的芯片生命周期管理產(chǎn)品（SLM）系列

Multi-Die系統(tǒng)的出現(xiàn)為電子行業(yè)指明了一個(gè)新的發(fā)展方向，人工智能、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)和汽車等技術(shù)正在改變硅行業(yè)的格局，將Multi-Die設(shè)計(jì)推向前沿。但是我們需要明確的是，Multi-Die系統(tǒng)也面臨著重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，整個(gè)行業(yè)需要共同努力，一起推動(dòng)芯片的創(chuàng)新。