物理驗證在先進芯片設(shè)計中的核心地位

在這個技術(shù)日新月異的時代，一個不爭的事實是，我們已經(jīng)邁入了芯片集成度迅速提升的階段。隨著5G、自動駕駛、人工智能等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對芯片性能的需求也急劇增加。這種挑戰(zhàn)驅(qū)動芯片制造商走向更高的集成度，增加更多的晶體管，引入先進的光刻技術(shù)，并不斷探索尖端的芯片工藝和封裝方式。

一顆表面微小的芯片內(nèi)部蘊藏著千絲萬縷的設(shè)計細節(jié)。因此，對芯片設(shè)計的電路布局、連線以及物理特性進行及時的驗證和確認至關(guān)重要。哪怕是一小步的差錯，都有可能導致整體失效，這凸顯了物理驗證在芯片設(shè)計中的關(guān)鍵地位。

物理驗證在先進芯片設(shè)計中的核心地位

近年來，“Shifting left”策略在芯片產(chǎn)業(yè)中受到了廣泛關(guān)注。其核心目標是應對現(xiàn)代芯片設(shè)計的高復雜度，盡早在物理設(shè)計階段進行驗證，幫助設(shè)計團隊及時糾正錯誤，以保證最后的設(shè)計準確無誤，為最終流片做好充分準備。在此策略中，物理驗證的重要性不言而喻。

物理驗證主要包括設(shè)計規(guī)則檢查（DRC）、布局與原理圖（LVS）檢查和面向制造設(shè)計檢查（DFM）。在整個芯片設(shè)計項目中，一旦系統(tǒng)芯片（SoC）的主要部分組裝完成，就可以開始進行DRC和LVS的驗證。開發(fā)團隊應當在每個設(shè)計階段，如宏設(shè)計、IP和塊級設(shè)計階段，無縫且清晰地進行物理驗證。與全芯片的組裝并行地進行物理驗證是更為高效的做法。

盡管物理驗證一直都是計算密集型的工作，但如今的芯片設(shè)計尺寸和復雜性又將這一挑戰(zhàn)提升到了一個全新的層次。對于擁有數(shù)十億晶體管的多芯片系統(tǒng)而言，一個DRC或LVS的任務可能需要使用數(shù)百個CPU核，運行數(shù)天。隨著工藝節(jié)點從7nm到5nm，再到3nm的進步，這一問題尤為突出。

在大型SoC的設(shè)計中，我們往往需要處理數(shù)百個組件，包括布局與路由塊、模擬單元、存儲器、第三方IP和I/O單元。盡管在設(shè)計過程中，這些組件各自可能都已經(jīng)經(jīng)過詳細的DRC檢查，但當它們被集成為一個完整芯片時，又會暴露出大量另外的設(shè)計問題，例如組件之間得位置不對齊，就可能觸發(fā)大量的DRC違規(guī)行為。傳統(tǒng)的DRC工具需要數(shù)日才能完成對如此龐大的設(shè)計的初次檢查，這可能導致在項目的最后階段，浪費流片輸出團隊大量額外的計算時間。

與此同時，LVS工具的發(fā)展也面臨著相似的挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代的大規(guī)模電路設(shè)計中，LVS檢查可能耗費數(shù)天時間。初次整合所有設(shè)計組件后，LVS可能會揭示出如宏/IP問題、頂層整合錯誤和界面引腳對齊問題等新問題。雖然這些問題本身可能容易修復，但它們確實會延長LVS的運行時間并增加計算要求，從而阻礙設(shè)計師的快速迭代。

在如今競爭白熱化的芯片市場中，上市時間（Time-to-market）是很重要的競爭力。任何物理驗證過程的延誤都可能影響芯片的上市時間，這不僅會帶來巨大的經(jīng)濟損失，還可能對企業(yè)的整體策略造成打擊。

因此，物理驗證工具必須不斷創(chuàng)新和改進，進一步智能化并提高效率。

理想中的DRC工具應該能按制造商的基本規(guī)則自動運作，迅速評估設(shè)計質(zhì)量。當設(shè)計基本合規(guī)時，它可以順暢地完成剩下的檢查任務。此外，如果DRC能為設(shè)計師提供一個錯誤“熱圖”則是極大的加分項，它幫助設(shè)計師直觀地在數(shù)百萬的小錯誤中標識出目標問題區(qū)域，使設(shè)計師能迅速定位并解決問題。

LVS工具應當能夠準確地識別出設(shè)計中哪些部分是關(guān)鍵，提供一個自動化的方法來迅速定位全芯片LVS運行中出現(xiàn)問題的根源。

這些壓力無疑給到了EDA供應商，但一旦解決，這也將成為他們的核心競爭力。

顛覆傳統(tǒng)，新思科技塑造下一代物理驗證

新思科技的IC Validator是一個專為現(xiàn)代設(shè)計的物理驗證工具，它采用業(yè)界先進的分布式處理算法，可擴展到超過 4,000個CPU核，實現(xiàn)了目前業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的超大芯片的物理驗證簽收。數(shù)十億個晶體管的設(shè)計，一天內(nèi)就可完成設(shè)計規(guī)則檢查 (DRC)、布局與原理圖對照驗證 (LVS) 以及金屬填充的一次迭代。此外，IC Validator在僅有少量資源的情況下也可以立即啟動，在資源增加時使用更多的資源。

（圖源：新思科技）

近幾年來，新思科技不斷地對IC Validator進行升級，以滿足日益變化的芯片驗證需求。

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Explorer DRC技術(shù)

早在2018年，新思科技就引入了Explorer DRC技術(shù)，為開發(fā)團隊提供了在同一天進行DRC檢查的功能，并在SoC整合過程中在幾小時內(nèi)識別關(guān)鍵設(shè)計缺陷。它的性能相比傳統(tǒng)DRC流程大大提高，使運行時間加快五倍，使用的核心數(shù)量減少五倍。這意味著即使設(shè)計是“不干凈”的，16或32核的CPU也可以在幾小時之內(nèi)完成一個典型5nm芯片的DRC驗證，幫助流片工程師快速找到主要的設(shè)計問題并立即開始修復。

值得關(guān)注的是，新思科技正在嘗試通過云計算進行IC驗證，并以DRC作為其測試場景。這種創(chuàng)新的動力來源包括一下幾方面：

（1）面對成本壓力、不斷縮小的市場窗口以及更好的性能和更多功能的市場需求，本地存儲已成為許多企業(yè)無法承受的負擔。在云端進行IC設(shè)計，并實現(xiàn)計算資源的彈性擴展的時機已經(jīng)到來。

（2）單純地為DRC工具增加計算能力并不能縮短運行時間，因為在IC驗證過程中，某些計算資源可能會時常處于閑置狀態(tài)，這導致了資源的浪費，增加了企業(yè)成本。

云計算為現(xiàn)代IC驗證提供了有效的途徑。通過云驗證，企業(yè)可以輕松地從本地數(shù)百核擴展到云端的數(shù)千核。這種方式不僅提供了彈性、靈活性和擴展性，還確保了資源的合理利用。同時，DRC的任務也能分配到多個核心上并行執(zhí)行，從而實現(xiàn)資源的最優(yōu)化，節(jié)約時間和成本。

新思科技的IC Validator的動態(tài)彈性CPU管理與流行的作業(yè)隊列系統(tǒng)（如LSF和SGE）能夠無縫集成，并可在本地和云端等不同類型的計算網(wǎng)絡(luò)上使用。例如，在新思科技與臺積電和微軟的合作中，在云端進行的IC設(shè)計將臺積電 N3E工藝的驗證時間從約50小時縮短到不到20小時，效率提高了65%，同時成本和CPU使用時間也比本地減少了25%。如下圖所示。除了所有時間和成本優(yōu)勢之外，新思科技的虛擬網(wǎng)絡(luò)（VNET）可以很好的確保云端部署EDA的安全性。

圖片來源：臺積電

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Explorer LVS技術(shù)

2019年新思科技又推出了Explorer LVS技術(shù)，這也是行業(yè)首款是專為SoC時代設(shè)計的現(xiàn)代LVS解決方案。Explorer LVS可以在簽核準備驗收時的任何時候使用，以檢查頂層設(shè)計的完整性。而且使用Explorer LVS可以快速、高效地檢測到關(guān)鍵問題，使驗收工程師無需承受傳統(tǒng)LVS工具的低效率。當首次完成全芯片整合后立即運行時，其性能和效益可以達到最大。

盡管Explorer LVS的主要設(shè)計目標是完整芯片的布局，但它適用于任何大小和復雜度的設(shè)計。設(shè)計越大、越復雜，其相對于前一代工具的性能就越好。Explorer LVS包括三個不同的階段，如下圖所示。

Explorer LVS檢查的3個階段

（圖源：新思科技）

一旦Explorer LVS對設(shè)計執(zhí)行，就會生成一個摘要文件，工程師可以使用摘要文件來檢查全芯片設(shè)計的整體質(zhì)量，以簽署準備度來衡量。每個單獨的錯誤都可以通過文本格式的日志文件或交互工具進行檢查和調(diào)試。對于設(shè)計中的短路的調(diào)試，Explorer LVS的結(jié)果可以立即加載到IC Validator ShortFinder中，以便進行快速和簡便的基于GUI的交互調(diào)試，如下圖所示。

在LVS中調(diào)試設(shè)計缺陷

（圖源：新思科技）

Explorer LVS可以與全面的LVS完美配合。在典型的流程中，當我們在初步的布局和路徑規(guī)劃后進行區(qū)塊或模塊設(shè)計時，可能會運行全面的LVS，以便在項目早期發(fā)現(xiàn)問題。當這些部分組裝成一個完整的芯片時，Explorer LVS提供快速的運行時間和直觀的調(diào)試來盡量清理設(shè)計，然后使用全面的LVS進行最終驗收。如果在驗收前發(fā)生了工程變更訂單（ECOs）或最后一刻的宏/模塊更新，Explorer LVS能確保設(shè)計的完整性不受損害。如下圖所示，在真實的客戶設(shè)計中，與全面的LVS相比，Explorer LVS的運行速度最快可提升30倍，且使用的內(nèi)存減少了30倍。

Explorer LVS的實際性能結(jié)果

（圖源：新思科技）

結(jié)論與展望

隨著半導體技術(shù)的迅猛發(fā)展，面對日益增長的挑戰(zhàn)，我們亟需更為先進的設(shè)計驗證工具。新思科技在物理驗證技術(shù)上的持續(xù)創(chuàng)新，特別是通過Explorer DRC和Explorer LVS，再加上其在EDA云技術(shù)上的探索與突破，可以使芯片工程師更為高效和精確地完成設(shè)計驗證。這不僅確保了產(chǎn)品的卓越質(zhì)量和穩(wěn)健可靠性，而且為當下的芯片物理驗證流程注入了創(chuàng)新活力。

展望未來，隨著云計算的普及和技術(shù)的成熟，我們期望EDA工具能夠更加完美地集成到云環(huán)境中，實現(xiàn)真正的全球協(xié)作和無縫的設(shè)計驗證流程。同時這就需要像新思科技這樣的EDA廠商繼續(xù)在物理驗證技術(shù)上進行更深入的研究與創(chuàng)新。這將為整個半導體產(chǎn)業(yè)帶來更大的效率提升和成本節(jié)約。






審核編輯：劉清