IC 設計：為下一節點(diǎn)做好準備
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本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202002/409654.htm
盡管有關(guān)摩爾定律瀕臨消亡或跟不上時(shí)代的傳聞不絕于耳，但半導體行業(yè)似乎多半仍在繼續開(kāi)發(fā)新工藝節點(diǎn)和日益復雜的設計。因此，各家公司幾乎無(wú)休止地在為下一節點(diǎn)做準備，進(jìn)而過(guò)渡至新的節點(diǎn)。
對晶圓代工廠(chǎng)而言，這種準備工作以新器件、新工藝工具和新工藝流程為中心。同時(shí)，他們必須確保為客戶(hù)提供合格規則集（規則文檔）。設計公司專(zhuān)注于定義電路功能和性能目標，同時(shí)確保他們擁有所需的設計軟件和硬件并已經(jīng)準備好進(jìn)行使用，以便在合理的周轉時(shí)間內實(shí)現設計 signoff。
雖然很少談?wù)摰?，但電子設計自動(dòng)化 (EDA) 行業(yè)也一直在為下一節點(diǎn)做準備。隨著(zhù)各種新工藝技術(shù)和新設計功能的不斷涌現，現在越來(lái)越需要提高自動(dòng)化能力，以自動(dòng)利用一套經(jīng)過(guò)晶圓代工廠(chǎng)驗證的工具進(jìn)行驗證，同時(shí)在不增加運行時(shí)間的情況下保持最高的準確度。本文將深入探討下一節點(diǎn)的開(kāi)發(fā)挑戰，以及Mentor, a Siemens Business 如何為每個(gè)“下一節點(diǎn)”準備 Calibre? nmPlatform。
下一節點(diǎn)的計算挑戰
衡量半導體行業(yè)向前發(fā)展勢頭的經(jīng)典指標是設計中的集成電路 (IC) 晶體管數量。摩爾定律描述的是經(jīng)驗觀(guān)察：每片 IC 的晶體管數量以往大約每?jì)赡攴环?。近年?lái)，宣稱(chēng)摩爾定律瀕臨消亡的聲音似乎一直不絕于耳，但經(jīng)驗證據持續表明事實(shí)并非如此。圖 1 顯示了最廣為人知的 IC 芯片的晶體管數量隨時(shí)間變化的最新復合圖 [1]。數據顯示，晶體管數量在整個(gè)四十五年間一直穩定增加，大多數現代芯片的晶體管數量接近 20 萬(wàn)億個(gè)。
圖 1：IC 晶體管數量隨時(shí)間的變化。
（數據來(lái)源：https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count；數據可視化：OurWorldinData.org；Max Roser 根據CC-BY-SA授權使用。）
設計規則檢查 (DRC) 復雜度與設計中的多邊形數量成正比。雖然晶體管數量對前道工序 (FEOL) 層多邊形數量有直接影響，但它本身并不能說(shuō)明多邊形總數的整體增加。中段工序 (MOL) 和后道工序 (BEOL) 層不僅顯示每層多邊形數量的增加，而且顯示先進(jìn)工藝節點(diǎn)通常需要額外的互連層。多邊形數量增加的多種來(lái)源意味著(zhù)像 Calibre 套件這樣的驗證工具必須應對超過(guò)摩爾定律增長(cháng)率的多邊形處理量。
當然，與晶圓代工廠(chǎng)工藝相關(guān)的設計規則不只是與設計中的總設計層數呈函數關(guān)系。隨著(zhù)時(shí)間推移，由于更復雜的環(huán)境感知且對變化敏感的設計組件和工藝技術(shù)被整合到最先進(jìn)的工藝節點(diǎn)中，在任何給定層上必須檢查的問(wèn)題類(lèi)型也會(huì )增加。圖 2 顯示了其中幾項新工藝技術(shù)和設計敏感性，它們不僅需要更多的檢查，而且需要全新的檢查類(lèi)型。該圖將層數的增加與所需檢查類(lèi)型的增加相對照，說(shuō)明了設計規則的數量和實(shí)現這些規則所需的運算是如何隨著(zhù)工藝節點(diǎn)發(fā)展而增加的。每次檢查都需要很多行編碼來(lái)實(shí)現，圖上的平均 DRC 運算數說(shuō)明了軟件為正確檢查設計而實(shí)際必須執行的步驟數。
圖 2：不同工藝節點(diǎn)的新功能要求和 DRC 規則／代碼復雜度。
最終，驗證現代 IC 所需的計算能力和資源是由規則復雜度乘以設計的總多邊形數決定的。任何懂數學(xué)的人都會(huì )立即注意到，兩個(gè)指數增長(cháng)的趨勢相乘會(huì )帶來(lái)相當困難的問(wèn)題需要克服。Mentor 意識到，為了解決這個(gè)似乎巨大無(wú)比的挑戰，我們要跳出傳統解決方案的思維，探求所有可能的途徑來(lái)擴展和提高工具集的性能與生產(chǎn)力。Calibre 團隊不斷為 Calibre 工具庫添加基本的新功能，以便為新的和擴展的需求提供準確的自動(dòng)檢查，同時(shí)仍然讓公司能夠滿(mǎn)足其上市時(shí)間安排。
夯實(shí)基礎
應對這種爆炸性計算挑戰的兩個(gè)最明顯要素是原始引擎速度和存儲器。盡管 Calibre 套件已經(jīng)存在了幾十年，但基礎代碼庫在不斷優(yōu)化，甚至完全重寫(xiě)，不僅僅是為了添加新功能，還為了顯著(zhù)提高其執行現有功能的能力，以及利用現代分布式和云計算基礎設施。
圖 3 顯示了同一 Calibre? nmDRC? 運行集（運行文檔）的不同軟件版本的歸一化運行時(shí)間趨勢。每個(gè)數據點(diǎn)代表平均 20 個(gè)實(shí)際的客戶(hù)設計，反映了 Calibre 底層引擎這個(gè)單一因素（其他因素均保持不變）隨著(zhù)軟件版本的更替所實(shí)現的改進(jìn)。在這三年的時(shí)間跨度內，引擎速度提高了 80%。這一趨勢表明了 Mentor 優(yōu)化所有 Calibre 物理和電路驗證工具性能的方式。
圖 3：不同軟件版本的歸一化 Calibre 引擎運行時(shí)間趨勢。
存儲器使用率也是提高工具性能的關(guān)鍵因素。圖 4 比較了最近的兩個(gè) Calibre nmDRC 版本在六種不同 7 nm 設計上的表現。隨著(zhù)底層數據結構和存儲器管理技術(shù)的改進(jìn)，存儲器使用率穩定下降 40-50%。同樣，這一進(jìn)展代表了 Calibre nmPlatform 所實(shí)現的性能改進(jìn)。雖然 Calibre nmPlatform 在使用最少存儲器方面已經(jīng)處于業(yè)界領(lǐng)先地位，但 Mentor 仍在不斷尋求進(jìn)一步改進(jìn)的機會(huì )。
圖 4：Calibre nmDRC 工具最近發(fā)布的各版本在存儲器使用率方面的改進(jìn)比較。
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