如何輕松搞定高性能Multi-Die系統(tǒng)？

2D芯片設(shè)計中通常為二階或三階的效應(yīng)，在Multi-Die系統(tǒng)中升級為主要效應(yīng)?？紤]到此類復(fù)雜架構(gòu)中存在許多相互依賴關(guān)系，上述現(xiàn)象并不奇怪。例如，一個裸片的散熱可能會影響其旁邊組件乃至整個系統(tǒng)的性能。此外，由于散熱變得更加困難，3D設(shè)計中的熱和功率傳輸問題會更加嚴(yán)重。類似地，來自一個小芯片的信號完整性問題（串?dāng)_和電磁干擾等）可能會影響整個系統(tǒng)。諸如此類的大量多物理場效應(yīng)會妨礙Multi-Die系統(tǒng)的性能。

從單片式SoC轉(zhuǎn)變到Multi-Die系統(tǒng)，需要考慮許多新的因素。在Multi-Die這個新領(lǐng)域，開發(fā)者無法將封裝或單個裸片在整個系統(tǒng)中分開看待。為了獲得理想的系統(tǒng)并加速流程收斂，從技術(shù)到裸片和封裝，都必須著眼于整個系統(tǒng)，而且要在緊密集成的多目標(biāo)分析的指導(dǎo)下進行協(xié)同優(yōu)化。我們將這種密切配合的方法稱為系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（STCO）。

STCO最好從構(gòu)思系統(tǒng)之初就開始進行。從可行性研究和架構(gòu)規(guī)劃，到實現(xiàn)和簽核，將多物理場效應(yīng)考慮在內(nèi)的裸片/封裝全面協(xié)同設(shè)計方法對于設(shè)計成功至關(guān)重要。我們將在下文中進一步介紹協(xié)同設(shè)計和協(xié)同優(yōu)化的重要性。

多個裸片的集成會形成相互依賴關(guān)系

為了滿足高性能計算（HPC）和人工智能（AI）等工作負載密集型應(yīng)用對性能、功耗和面積（PPA）的要求，市場對Multi-Die系統(tǒng)的需求日益增長。Multi-Die系統(tǒng)在單個封裝中集成了多個包含不同類型電路的裸片，這是一種加速系統(tǒng)功能擴展的有效方法。有了關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI），開發(fā)者就可以相應(yīng)地規(guī)劃具體的系統(tǒng)和組件。

單片式SoC中雖然也存在多物理場效應(yīng)，但通?？梢灶A(yù)先建模和分析，并通過設(shè)計調(diào)整來解決。而對于Multi-Die系統(tǒng)，這些效應(yīng)不加以解決的話，會對整個系統(tǒng)造成更大的損害。

例如：

由于眾多裸片通過Die-to-Die接口相互通信，系統(tǒng)變得更容易受到電磁干擾（EMI）和串?dāng)_等信號完整性問題的影響

散熱問題上升為最主要的問題，因為系統(tǒng)中的所有裸片以及它們之間的互連都可能會積聚熱量，從而影響系統(tǒng)的性能和/或時序

系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)一方面要減輕EMI等影響，另一方面要提供整個芯片系統(tǒng)所需的電力，因此其魯棒性至關(guān)重要

芯片制造、組裝和封裝產(chǎn)生的機械應(yīng)力會影響系統(tǒng)的電氣性能

系統(tǒng)各個裸片的工藝變化會影響系統(tǒng)性能

為了解決這些效應(yīng)和影響，開發(fā)者必須在Multi-Die系統(tǒng)的背景下進行系統(tǒng)分析，檢查所有物理方面和相互作用，以驗證和優(yōu)化系統(tǒng)。從電氣和熱效應(yīng)到結(jié)構(gòu)力學(xué)，多種屬性必須一起進行仿真，以識別系統(tǒng)層面的電源和信號完整性影響。為此，需要用到統(tǒng)一的STCO解決方案，以提供全面的設(shè)計收斂，使每立方毫米的PPA達到最優(yōu)水平。

盡早了解設(shè)計權(quán)衡

STCO開始于開發(fā)者設(shè)計規(guī)劃架構(gòu)之初。在團隊確定系統(tǒng)的組件以及應(yīng)當(dāng)如何對所有組件進行分區(qū)時，團隊需要能夠進行假設(shè)分析以了解設(shè)計權(quán)衡。當(dāng)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)時，架構(gòu)的粒度越細，設(shè)計收斂到簽核的過程就越順利。在早期設(shè)計階段，可獲得的信息有限；但是，系統(tǒng)原型設(shè)計有助于回答以下幾個問題：需要多少個裸片？裸片應(yīng)該如何堆疊？系統(tǒng)中新舊節(jié)點混用有哪些利弊？配電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該如何設(shè)計？可能會出現(xiàn)什么樣的散熱問題？當(dāng)團隊得到一個滿足要求的架構(gòu)時，便可從可行性研究中獲取輸出，并轉(zhuǎn)入系統(tǒng)規(guī)劃和原型構(gòu)建。

新思科技Multi-Die系統(tǒng)解決方案為實現(xiàn)快速的2.5D和3D異構(gòu)集成提供了一個綜合平臺以支持STCO方法，幫助回答上述的假設(shè)分析問題。該解決方案通過以下兩個關(guān)鍵組成部分解決多物理場效應(yīng)：

新思科技3DIC Compiler Multi-Die/封裝協(xié)同設(shè)計和協(xié)同優(yōu)化平臺，提供建模功能和相關(guān)數(shù)據(jù)點，可指導(dǎo)開發(fā)系統(tǒng)版圖規(guī)劃以實現(xiàn)目標(biāo)PPA。3DIC Compiler基于新思科技數(shù)字設(shè)計系列的Fusion標(biāo)準(zhǔn)單數(shù)據(jù)模型構(gòu)建，提供一個完整的架構(gòu)到簽核平臺。

設(shè)計分析和簽核技術(shù)，解決靜態(tài)時序、信號完整性、電源完整性、散熱、寄生效應(yīng)和電遷移/IR壓降問題。3DIC Compiler和新思科技簽核解決方案與Ansys RedHawk-SC電熱多物理場技術(shù)相集成，為2.5D/3D Multi-Die系統(tǒng)提供多物理場電源完整性、信號完整性、熱完整性和機械應(yīng)力仿真與分析。

由于Multi-Die系統(tǒng)解決方案的各組成部分緊密集成，開發(fā)者可以及早發(fā)現(xiàn)并解決問題，實現(xiàn)更高的良率。不同的工具可以用于各個方面的分析，但如果這些工具銜接得不好，就可能會錯過重要的“危險信號”，導(dǎo)致開發(fā)者可能不得不在接近流片時才發(fā)現(xiàn)問題，此時再解決問題所花費的成本要高得多。新思科技不斷評估新出現(xiàn)的Multi-Die系統(tǒng)效應(yīng)，并相應(yīng)地增強旗下的解決方案。

總結(jié)

在Multi-Die系統(tǒng)中，開發(fā)者必須從系統(tǒng)的角度解決多物理場效應(yīng)，設(shè)計和優(yōu)化過程要考慮所有相互依賴關(guān)系。通過運用系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化方法，并結(jié)合集成的可擴展協(xié)同設(shè)計、分析和簽核解決方案，開發(fā)者將能夠更高效地實現(xiàn)Multi-Die系統(tǒng)的PPA目標(biāo)。

審核編輯：劉清