近兩年，隨著國(guó)家對(duì)信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新日益重視，作為芯片行業(yè)的重要成員，許多國(guó)產(chǎn)CPU公司有了長(zhǎng)足的發(fā)展。無(wú)論是面對(duì)芯片緊缺、斷供的嚴(yán)峻形式，還是工業(yè)軟件“卡脖子”的窘境，都無(wú)一例外要求我們加大國(guó)產(chǎn)芯片、工業(yè)軟件的研發(fā)力度和速度。包括龍芯、飛騰、海光、兆芯在內(nèi)的眾多國(guó)內(nèi)一線(xiàn)CPU芯片設(shè)計(jì)公司，正在為全力打造“中國(guó)芯”而不懈努力。在這個(gè)進(jìn)程中，急需一種快速的方法，檢查芯片設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的信號(hào)完整性、電源完整性問(wèn)題，從而提高CPU芯片的設(shè)計(jì)迭代和投產(chǎn)效率。

國(guó)產(chǎn)CPU市場(chǎng)概況CPU處理器主要面向的市場(chǎng)有PC、服務(wù)器、嵌入式、智能手機(jī)、安防監(jiān)控、汽車(chē)電子、視頻和多媒體處理。目前，中國(guó)仍是全球CPU最大的消費(fèi)市場(chǎng)，下游需求旺盛，隨著國(guó)際供應(yīng)鏈斷裂和信息安全風(fēng)險(xiǎn)加劇，我國(guó)對(duì)國(guó)產(chǎn)CPU領(lǐng)域的政策支持力度持續(xù)提高，國(guó)內(nèi)CPU正在加快發(fā)展步伐。

國(guó)產(chǎn)CPU中以X86架構(gòu)代表的企業(yè)有兆芯、海光。其中，兆芯是來(lái)自威盛的x86技術(shù)，架構(gòu)技術(shù)和性能相對(duì)Intel、AMD有所差異；海光獲得的是AMD 14nm Zen架構(gòu)的IP授權(quán)。ARM架構(gòu)的代表還有華為、飛騰。此外，MIPS架構(gòu)的代表有龍芯。

從國(guó)產(chǎn)CPU的工藝制程看，16nm工藝是比較主流的先進(jìn)工藝，采用7nm工藝的只有華為鯤鵬920，但其處于暫停生產(chǎn)狀態(tài)，而兆芯新一代7nm工藝芯片尚未正式發(fā)布，其它廠(chǎng)商的規(guī)劃還不明確。在政企市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)CPU受到重視，得到快速推進(jìn)，而在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)還只是剛開(kāi)始。

CPU應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

1. 信號(hào)完整性、電源完整性挑戰(zhàn)

在CPU中，通常采取優(yōu)化多核心、高速緩存、內(nèi)存、IO等接口的方式，以達(dá)到提升運(yùn)算速度并降低功耗的目的。但在這一過(guò)程中，不可避免的會(huì)存在信號(hào)完整性和電源完整性的問(wèn)題，而且越是使用先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)，其挑戰(zhàn)就越嚴(yán)峻。無(wú)論是對(duì)于傳統(tǒng)封裝還是先進(jìn)封裝，信號(hào)的可靠程度與電源的穩(wěn)定性都是衡量芯片質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在設(shè)計(jì)中必須面對(duì)這兩個(gè)老生常談的問(wèn)題。除了優(yōu)化設(shè)計(jì)外，如何加快設(shè)計(jì)迭代速度也是設(shè)計(jì)中的重要考量因素。

2. 先進(jìn)封裝帶來(lái)挑戰(zhàn)

CPU的封裝，從早期的QPF、FCBGA到現(xiàn)在的先進(jìn)封裝，有了更多的變化。對(duì)于CPU芯片來(lái)說(shuō)，隨著工藝的發(fā)展，工程師利用硅載板或者TSV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先進(jìn)封裝，如何能夠準(zhǔn)確高效的處理好多個(gè)信號(hào)之間的串?dāng)_問(wèn)題，也是設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。

以鯤鵬920為例：下圖是三顆裸芯組成的64核芯片，其中左邊兩顆為計(jì)算DIE，每顆含32個(gè)TSV110核，由4個(gè)核組成一個(gè)簇，8個(gè)簇掛在一個(gè)環(huán)狀總線(xiàn)上，32MB的L3作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)也掛在環(huán)上，同樣的存控也作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)掛在環(huán)上。三顆裸芯之間由 chip間總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)互連。復(fù)雜的工藝以及眾多的信號(hào)線(xiàn)需要一個(gè)強(qiáng)大計(jì)算能力的仿真工具，完成對(duì)信號(hào)和串?dāng)_的評(píng)估。

圖1 鯤鵬920內(nèi)部架構(gòu)圖

3. PCB板級(jí)協(xié)同挑戰(zhàn)

對(duì)于CPU芯片來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)配套CPU的PCB測(cè)試版、demo板時(shí)，也需要進(jìn)行相關(guān)的仿真工作。一方面芯片的高速接口需要PCB的協(xié)同設(shè)計(jì)，另一方面，PCB作為CPU的配套使用載體，它的性能也是直接影響整體鏈路性能是否完善的關(guān)鍵因素。對(duì)于高速PCB來(lái)說(shuō)，就算是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，在設(shè)計(jì)高速鏈路的時(shí)候，仍需要對(duì)過(guò)孔、焊盤(pán)等細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。若有SerDes或者DDR的走線(xiàn)，對(duì)其串?dāng)_的分析就更不可避免。

芯和CPU應(yīng)用中的SI/PI解決方案芯和半導(dǎo)體針對(duì)CPU應(yīng)用中的封裝以及PCB的SI/PI提供了完整的解決方案。對(duì)于傳統(tǒng)型封裝的QFN、QFP或者FCBGA，工程師可以利用芯和半導(dǎo)體的工具，針對(duì)其金線(xiàn)、Bump等結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；對(duì)于3DIC、Chiplets或者TSV結(jié)構(gòu)的先進(jìn)封裝，設(shè)計(jì)人員同樣可以利用工具進(jìn)行設(shè)計(jì)-分析的一站式流程；而對(duì)于PCB板級(jí)，也可以根據(jù)低頻-高頻不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行相應(yīng)的算法切換并進(jìn)行分析。

圖2 CPU應(yīng)用中的SI/PI解決方案

1. 信號(hào)完整性、電源完整性分析

芯和半導(dǎo)體的Hermes 3D、Hermes PSI提供了針對(duì)CPU封裝的SI及PI的解決方案。Hermes 3D是一款三維全波電磁場(chǎng)仿真工具，它可以支持主流ECAD工具輸出的版圖文件，導(dǎo)入生成相應(yīng)的3D模型。它同時(shí)提供了自動(dòng)切割版圖和自動(dòng)添加端口的功能，大幅提高了工程師的建模效率。Hermes 3D采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)和有限元算法，可以確保對(duì)任意三維結(jié)構(gòu)在任意頻段都具備較高的求解精度。

Hermes PSI 是一款專(zhuān)注封裝與板級(jí)電源完整性分析的工具，包括直流壓降分析和交流阻抗分析兩大功能模塊。在設(shè)計(jì)中，直流壓降分析可以幫助工程師快速分析電源的直流效應(yīng)，并檢查直流壓降、電流趨勢(shì)和電流密度分布，優(yōu)化電源路徑中可能存在的瓶頸。交流阻抗分析可以計(jì)算封裝基板和PCB之間的PDN阻抗，并自動(dòng)優(yōu)化去耦電容。

圖3 Hermes3D 幫助建模與SI仿真

圖4 HermesPSI幫助建模與PI仿真

2.先進(jìn)封裝仿真建模

芯和半導(dǎo)體的Metis工具提供了專(zhuān)注于先進(jìn)封裝的建模和仿真流程，針對(duì)目前最為火熱的Chiplets、TSV、interposer等結(jié)構(gòu)，有著明顯的建模和仿真優(yōu)勢(shì)。工程師可以利用它突破傳統(tǒng)封裝仿真技術(shù)的極限，同時(shí)容納超大規(guī)模的信號(hào)數(shù)量，并利用矩陣級(jí)別的集群分布式計(jì)算，提高計(jì)算效率的同時(shí)，降低硬件資源消耗，真正達(dá)到快速、節(jié)省的跨尺度仿真效果。工程師在初次使用時(shí)，可以通過(guò)3DIC和先進(jìn)封裝兩種分析流程向?qū)В焖偻瓿陕?lián)合仿真設(shè)置。利用內(nèi)置的Speed、Balanced和Accuracy三種仿真模式，滿(mǎn)足工程師不同設(shè)計(jì)階段對(duì)精度和速度要求。

圖5 Metis提供先進(jìn)封裝仿真流程

3.PCB板級(jí)協(xié)同仿真

在CPU設(shè)計(jì)時(shí)，PCB和封裝的協(xié)同設(shè)計(jì)同樣重要。工程師不但可以通過(guò)Hermes工具進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)仿真，也可以進(jìn)行PCB板級(jí)設(shè)計(jì)的仿真。設(shè)計(jì)人員利用Hermes PSI的拓?fù)涔δ埽梢钥焖龠M(jìn)行封裝和PCB板級(jí)的協(xié)同仿真。此外還可以進(jìn)行電、熱的協(xié)同仿真，讓工程師可以直觀的了解現(xiàn)有設(shè)計(jì)中芯片的供電質(zhì)量如何，電流密度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。根據(jù)這些仿真結(jié)果，讓工程師可以調(diào)整優(yōu)化現(xiàn)有封裝設(shè)計(jì)，從而大大加快產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖6 HermesPSI拓?fù)涔δ軒椭抡嬖O(shè)計(jì)

總結(jié)本文首先從國(guó)內(nèi)CPU的發(fā)展現(xiàn)狀切入，講述了目前CPU研發(fā)現(xiàn)狀以及市場(chǎng)現(xiàn)狀，引出CPU應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。無(wú)論是傳統(tǒng)型封裝、先進(jìn)封裝還是PCB板級(jí)，CPU在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)存在信號(hào)完整性、電源完整性的問(wèn)題。芯和半導(dǎo)體的Hermes 3D、Hermes PSI可以進(jìn)行信號(hào)完整性、電源完整性的分析；Metis工具可以幫助工程師進(jìn)行先進(jìn)封裝的仿真；同時(shí)它們也都支持PCB板級(jí)的協(xié)同仿真，可以很好的從根本上解決CPU應(yīng)用中的仿真難題。