新思科技芯片生命周期管理平臺(tái)助力車規(guī)級(jí)SoC設(shè)計(jì)

由于終端智能化水平越來(lái)越高，作為系統(tǒng)核心，SoC的集成度和規(guī)模也愈發(fā)龐大。同時(shí)，終端系統(tǒng)中包含的芯片數(shù)量也在成倍增加，系統(tǒng)復(fù)雜度的提升加大了SoC的運(yùn)行挑戰(zhàn)。

這一情況在汽車市場(chǎng)最為突出，車規(guī)級(jí)芯片主要用于安全和關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，從設(shè)計(jì)到部署的整個(gè)周期里，需要有功能和性能監(jiān)控來(lái)應(yīng)對(duì)汽車SoC的功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全等問(wèn)題。因而，新思芯片生命周期管理(Silicon Lifecycle Management)成為優(yōu)化復(fù)雜芯片的關(guān)鍵手段，讓這些芯片能夠在汽車、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)控制等實(shí)際工作場(chǎng)景中運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間，應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的設(shè)計(jì)成本挑戰(zhàn)的同時(shí)，滿足實(shí)際工作環(huán)境下的功能和性能要求。

作為全球排名第一的芯片自動(dòng)化設(shè)計(jì)解決方案和芯片接口IP供應(yīng)商，同時(shí)也是信息安全與軟件質(zhì)量的全球領(lǐng)導(dǎo)者，新思科技提供集成多個(gè)產(chǎn)品和功能的芯片生命周期管理（SLM）平臺(tái)，提供從芯片到系統(tǒng)的深刻洞察力。

當(dāng)前，芯片生命周期管理（SLM）所提供的功能正逐漸被集成到芯片設(shè)計(jì)中，在整個(gè)芯片生命周期內(nèi)，盡可能多地收集數(shù)據(jù)，從而改善芯片和系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行表現(xiàn)。

從設(shè)計(jì)到應(yīng)用，可靠性挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻

研發(fā)人員正嘗試將更多樣的功能融入到一顆芯片中，以實(shí)現(xiàn)更高的集成度和效率，芯片復(fù)雜度也隨之上升。這個(gè)復(fù)雜度體現(xiàn)在很多維度上，包括先進(jìn)的工藝讓單顆芯片里面有數(shù)百億、上千億的晶體管數(shù)量；異構(gòu)集成的架構(gòu)讓芯片成為AP、BP、NPU、ISP等功能單元的集合；同時(shí)，承載這顆芯片運(yùn)轉(zhuǎn)需要一個(gè)復(fù)雜的PCB系統(tǒng)。以英偉達(dá)DRIVE Thor芯片為例，它是一顆能夠提供2000 TOPS算力的車規(guī)級(jí)SoC，內(nèi)建晶體管數(shù)量達(dá)到770億個(gè)。如下圖所示，為了釋放DRIVE Thor芯片的性能，DRIVE Thor的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。

然而，只是完成芯片設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)是不夠的。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，可靠性和安全性保障有時(shí)候比性能更重要，尤其是在汽車駕駛場(chǎng)景中，從功能實(shí)現(xiàn)、車規(guī)級(jí)認(rèn)證，到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，所面臨的挑戰(zhàn)貫穿了芯片從設(shè)計(jì)制造、測(cè)試乃至實(shí)際工作場(chǎng)景的整個(gè)生命周期。

在功能實(shí)現(xiàn)方面，高級(jí)輔助駕駛（ADAS）和自動(dòng)駕駛功能升級(jí)對(duì)芯片的要求越來(lái)越高，就像上述提到的英偉達(dá)DRIVE Thor芯片，基于臺(tái)積電4nm工藝，內(nèi)部晶體管數(shù)量超過(guò)700億，這讓芯片對(duì)制造工藝缺陷是非常敏感的。

與此同時(shí)，先進(jìn)的自動(dòng)駕駛芯片還會(huì)采用2.5D/3D封裝和Chiplet技術(shù)來(lái)構(gòu)建異構(gòu)計(jì)算體系，在汽車E/E架構(gòu)集中化發(fā)展過(guò)程中，這種異構(gòu)計(jì)算體系非常重要。為了減少ECU用量，只是芯片集成度提升還不夠，芯片本身還要能夠提供虛擬機(jī)等軟件技術(shù)，再加上承載自動(dòng)駕駛算法，整體上實(shí)現(xiàn)了基于軟硬件融合的邊緣計(jì)算大系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)這些功能，芯片必須滿足特定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。車規(guī)級(jí)是一項(xiàng)比消費(fèi)級(jí)和工規(guī)級(jí)更嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，要求芯片在設(shè)計(jì)之初就將車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)納入其中，以確保功能安全。車規(guī)級(jí)芯片的使用壽命要求一般是15年；AEC-Q100用于可靠性測(cè)試，其中0級(jí)耐溫要求是-40℃~+150℃；ISO26262是芯片功能安全認(rèn)證，安全氣囊、防抱死剎車、動(dòng)力轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)需滿足ASIL D等級(jí)。在這些嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)下，冗余設(shè)計(jì)所帶來(lái)代價(jià)非常高昂，需要考慮的因素也非常多。

以芯片使用壽命為例，對(duì)于電動(dòng)汽車而言，駕駛只是其中一個(gè)場(chǎng)景（預(yù)設(shè)平均每天駕駛時(shí)間約為2-3小時(shí)），還有相當(dāng)一部分使用壽命消耗在充電場(chǎng)景下。一般情況下，這個(gè)時(shí)間消耗很容易超過(guò)4萬(wàn)小時(shí)。因而，如下圖所示，車規(guī)級(jí)芯片在15年的壽命周期內(nèi)，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)可能會(huì)高達(dá)13萬(wàn)小時(shí)。很多車規(guī)級(jí)芯片還會(huì)有被過(guò)度使用的預(yù)期，通常設(shè)計(jì)壽命是標(biāo)準(zhǔn)壽命的兩倍以上。

▲圖 2：電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)間的可能性分析

冗余設(shè)計(jì)還需要考慮未來(lái)汽車功能的升級(jí)，OTA升級(jí)已經(jīng)成為智能汽車提升競(jìng)爭(zhēng)力的必要手段，這需要在芯片設(shè)計(jì)時(shí)留出足夠的空間和靈活性，以支持后續(xù)的功能升級(jí)。

AEC-Q100和ISO26262等認(rèn)證保證了車規(guī)級(jí)芯片設(shè)計(jì)的基本要求，但相應(yīng)的挑戰(zhàn)仍然在不斷涌現(xiàn)，由芯片設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，自動(dòng)駕駛芯片要想正常工作，一方面要為各種傳感器和數(shù)據(jù)流留出足夠的接口，另一方面需要配套復(fù)雜的外圍電路，包括電源、接口和隔離保護(hù)等。系統(tǒng)中提供不同功能的元器件的老化曲線是存在一定差異的，這也會(huì)帶來(lái)整體系統(tǒng)可靠性和安全性方面的挑戰(zhàn)。

最后的挑戰(zhàn)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。在如此漫長(zhǎng)的運(yùn)行周期里，尚未完全測(cè)試的物理環(huán)境很可能會(huì)突破車規(guī)級(jí)芯片的可靠性極限，包括高溫、應(yīng)力等。以高溫為例，當(dāng)前越來(lái)越多的地方開(kāi)始出現(xiàn)歷史性極值的高溫天氣，使得車規(guī)級(jí)芯片可能持續(xù)工作在一個(gè)不利于散熱的高負(fù)荷環(huán)境中，這很明顯會(huì)進(jìn)一步加速芯片的老化，甚至導(dǎo)致在產(chǎn)品生命周期內(nèi)出現(xiàn)功能失效的情況。

為提升車規(guī)級(jí)芯片在設(shè)計(jì)、制造、部署和使用過(guò)程中的可靠性和穩(wěn)定性，汽車電子委員會(huì)(AEC)零缺陷(Zero Defect)框架推出了AEC-Q004，這套標(biāo)準(zhǔn)允許芯片供應(yīng)商能夠在最佳實(shí)踐列表中進(jìn)行選擇，以持續(xù)改進(jìn)芯片設(shè)計(jì)的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以有效地確保汽車電子產(chǎn)品在高溫、低溫、濕度、機(jī)械振動(dòng)和電磁干擾等各種極端條件下的穩(wěn)定性和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品零缺陷。

▲圖 3：汽車零缺陷框架示例

重要的話講三遍，芯片和系統(tǒng)的復(fù)雜度正在顯著提升，要滿足AEC-Q100和ISO26262認(rèn)證，以及AEC-Q004零缺陷框架，進(jìn)而讓車規(guī)級(jí)芯片在整個(gè)生命周期內(nèi)都具有出色的可靠性和安全性，IC從業(yè)者所面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越大。需要一種新方法來(lái)監(jiān)測(cè)如何開(kāi)發(fā)、操作和維護(hù)基于硅的系統(tǒng)，芯片生命周期管理（SLM）所提供的功能變得不可或缺。

芯片生命周期管理（SLM）是一種基于大數(shù)據(jù)管理芯片的流程，數(shù)據(jù)來(lái)源于工藝/電壓/溫度(PVT)傳感器、可測(cè)性設(shè)計(jì)(DFT)和內(nèi)置自測(cè)試(BIST)資源、結(jié)構(gòu)和功能監(jiān)控器、嵌入式片上分析?；谝陨袭a(chǎn)品和解決方案，芯片獲得的信息會(huì)被傳輸至某個(gè)特定位置，進(jìn)行進(jìn)一步的分析、控制和優(yōu)化。

▲圖 4：芯片生命周期管理（SLM）數(shù)據(jù)來(lái)源

芯片生命周期管理（SLM）將成熟的芯片測(cè)試基礎(chǔ)架構(gòu)、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的IP、供應(yīng)鏈安全、芯片生命周期管理方法和生態(tài)系統(tǒng)平臺(tái)等結(jié)合在一起，讓芯片的設(shè)計(jì)、制造和使用變得更加穩(wěn)健，主要優(yōu)勢(shì)包括：

實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的PPA設(shè)計(jì)

快速提升制造良率

縮短芯片上市周期

優(yōu)化系統(tǒng)的功耗和性能

提升現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性

需要特別指出的是，芯片生命周期管理（SLM）對(duì)研發(fā)下一代芯片很有幫助，能夠讓設(shè)計(jì)人員清晰地了解這一代芯片在早期邊際退化、離群值檢測(cè)和故障預(yù)測(cè)時(shí)具體發(fā)生了什么。

芯片狀態(tài)檢測(cè)和結(jié)果分析是芯片生命周期管理（SLM）重要的組成部分，這種檢測(cè)和分析跨越了芯片整個(gè)生命周期，可以持續(xù)探索硅性能的邊界，為下一代芯片設(shè)計(jì)研發(fā)做好準(zhǔn)備。

▲圖 5：硅狀態(tài)檢測(cè)和修復(fù)的邊際分析

新思科技提供領(lǐng)先且完備的芯片生命周期管理（SLM）平臺(tái)

芯片生命周期管理（SLM）是一個(gè)相對(duì)較新的、基于大數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)和部署管理流程，能夠在整個(gè)芯片生命周期內(nèi)獲取和分析數(shù)據(jù)，并提供可操作的見(jiàn)解?？紤]到產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)來(lái)源和平臺(tái)構(gòu)成，就會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)施產(chǎn)品全生命周期管理具有一定的門檻，越是復(fù)雜的SoC和系統(tǒng)，這個(gè)門檻越高。

為了幫助設(shè)計(jì)人員更好地部署、實(shí)施產(chǎn)品全生命周期管理平臺(tái)，并從中持續(xù)獲得可操作性的見(jiàn)解，新思科技提供集成多個(gè)產(chǎn)品和功能的芯片生命周期管理（SLM）平臺(tái)，與新思科技全面的EDA工具和領(lǐng)先的IP方案相結(jié)合，幫助開(kāi)發(fā)人員應(yīng)對(duì)復(fù)雜芯片在開(kāi)發(fā)和部署等方面的挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的硅成本、質(zhì)量、健康和性能。

如下圖所示，新思科技芯片生命周期管理（SLM）平臺(tái)能夠幫助了解芯片在每一個(gè)階段的操作指標(biāo)，不僅是芯片自身，還包括嵌入式環(huán)境、系統(tǒng)架構(gòu)和功能監(jiān)測(cè)器，收集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行持續(xù)的分析。片上部署的監(jiān)控電路不僅可以從ATE、芯片和系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)往片外，還可以被系統(tǒng)級(jí)測(cè)試捕捉，甚至是傳送到云端。這些數(shù)據(jù)最終被保存在相同的數(shù)據(jù)庫(kù)中，云分析技術(shù)和嵌入在片內(nèi)的AI引擎將會(huì)根據(jù)這些數(shù)據(jù)持續(xù)提供可操作的優(yōu)化建議。

▲圖 6：新思科技芯片芯片生命周期管理（SLM）平臺(tái)

從產(chǎn)品層面來(lái)看，新思科技芯片生命周期管理（SLM）平臺(tái)包含了監(jiān)視器IP、傳感器IP、設(shè)計(jì)分析、產(chǎn)品分析、現(xiàn)場(chǎng)分析、智能數(shù)據(jù)提取和系統(tǒng)性能優(yōu)化等豐富的產(chǎn)品組合。其中，SLM IP又可以細(xì)分為PVT監(jiān)視器IP、PMM監(jiān)視器IP、時(shí)鐘和延遲監(jiān)視器IP、UCIe監(jiān)視器IP和各種高速訪問(wèn)和測(cè)試IP等。

這里主要解讀一下PVT監(jiān)視器IP。PVT監(jiān)視器IP負(fù)責(zé)工藝、電壓和溫度，可以跟蹤片內(nèi)局部電源電壓的動(dòng)態(tài)波動(dòng)，直接測(cè)量硅溫度來(lái)檢測(cè)芯片上的局部熱點(diǎn)和冷點(diǎn)。新思科技PVT監(jiān)視器IP覆蓋28nm到3nm工藝階段，可以幫助這些芯片實(shí)現(xiàn)最佳的PPA平衡，以帶來(lái)顯著的性能和可靠性優(yōu)勢(shì)，典型案例包括自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)和動(dòng)態(tài)電壓與頻率方案(DVFS)等。

目前，新思科技PVT監(jiān)視器IP已經(jīng)經(jīng)過(guò)SGS-TüV Saar認(rèn)證，滿足ASIL-B功能安全等級(jí)，符合AEC-Q100 2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以用于復(fù)雜的汽車芯片設(shè)計(jì)。

▲圖 7：PVT監(jiān)視器IP部署

在設(shè)計(jì)和產(chǎn)品分析方面，Avalon軟件系統(tǒng)是用于故障分析、設(shè)計(jì)調(diào)試和低成品率分析的下一代CAD布局和故障隔離標(biāo)準(zhǔn)，能夠促進(jìn)產(chǎn)品/設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和FA（故障分析）實(shí)驗(yàn)室之間更緊密協(xié)作。新思科技的SysNav將Avalon的能力進(jìn)一步擴(kuò)展到了封裝系統(tǒng)，可應(yīng)用于PCB、多芯片模塊以及堆疊式芯片應(yīng)用。

借助Avalon軟件系統(tǒng)和SysNav，開(kāi)發(fā)人員可以優(yōu)化芯片質(zhì)量和良率，并改善板級(jí)的產(chǎn)品缺陷檢測(cè)和設(shè)備調(diào)試。此外，在設(shè)計(jì)方面，新思科技芯片生命周期管理（SLM）平臺(tái)還提供TestMAX和Fusion Compiler RTL到GDSII解決方案，以及Fusion Design Platform等，幫助開(kāi)發(fā)人員基于硅數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

當(dāng)芯片部署到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之后，新思科技監(jiān)視器IP和傳感器IP將繼續(xù)發(fā)揮作用，這些數(shù)據(jù)可以被芯片上的AI引擎以及云分析技術(shù)快速處理，實(shí)時(shí)分析和優(yōu)化系統(tǒng)方案，并提供預(yù)測(cè)性維護(hù)、老化識(shí)別和故障檢測(cè)等功能，不僅能夠降低功耗、延長(zhǎng)設(shè)備生命周期，還能夠提供貫穿整個(gè)設(shè)備生命周期的可追溯性。

借助新思科技芯片生命周期管理（SLM）平臺(tái)，上述提到的汽車芯片的設(shè)計(jì)和部署挑戰(zhàn)都會(huì)迎刃而解。當(dāng)然，這些芯片生命周期管理（SLM）方案不僅適用于汽車芯片設(shè)計(jì)和應(yīng)用，對(duì)于數(shù)據(jù)中心、工業(yè)控制和高端消費(fèi)電子等領(lǐng)域的芯片和方案而言，也在逐漸變得不可或缺。

為了讓芯片能夠更好地發(fā)揮性能，并具有出色的可靠性，各個(gè)行業(yè)都在持續(xù)優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，汽車行業(yè)是較為典型的，擁有AEC-Q100、ISO26262、AEC-Q004等一系列標(biāo)準(zhǔn)，以求車規(guī)級(jí)芯片能夠在整個(gè)生命周期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

隨著芯片和系統(tǒng)復(fù)雜度提升，想要讓芯片滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)變得愈發(fā)困難，滿足標(biāo)準(zhǔn)的芯片被部署到現(xiàn)場(chǎng)之后，很多未測(cè)試的物理挑戰(zhàn)正成為大麻煩，這在汽車駕駛應(yīng)用中是不被允許的。

新思科技憑借全面的EDA工具、領(lǐng)先的IP方案，以及在云技術(shù)方面的前瞻布局，推出了行業(yè)領(lǐng)先的芯片生命周期管理（SLM）平臺(tái)，為復(fù)雜芯片的設(shè)計(jì)和部署賦能。新思芯片生命周期管理（SLM）的出現(xiàn)，能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員提供各種設(shè)計(jì)幫助。當(dāng)芯片部署之后，芯片生命周期管理（SLM）還能夠持續(xù)提供可操作的優(yōu)化建議，幫助開(kāi)發(fā)人員應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的可靠性挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)及性能管理。