本文轉自半導體行業觀察

感謝半導體行業觀察對新思科技的關注

過去50多年來，半導體行業一直沿著摩爾定律的步伐前行，晶體管的密度不斷增加，逐漸來到百億級別，這就帶來了密度和成本上的極大挑戰。隨著摩爾定律逼近極限，傳統的單片半導體器件已不再能夠滿足某些計算密集型、工作負載重的應用程序的性能或功能需求。如何進一步有效提高芯片性能同時把成本控制在設計公司可承受的范圍內，成為了半導體產業鏈一致的難題。

對此，新思科技提出了一個新的設計理念——“SysMoore”。“Sys”取自System（系統），指的是要在系統層面提升芯片的性能，而不僅僅是在晶圓中集成更多的晶體管數量。在SysMoore的時代，Multi-Die系統正在成為超越摩爾定律和解決系統復雜性挑戰的解決方案，它能實現以經濟高效的方式更快地擴展系統功能、降低風險、縮短產品上市時間、以更低的功耗實現更高的吞吐量，以及快速打造新的產品類別。而戈登·摩爾本人也預言道，“事實可能證明，用較小的分別封裝并相互連接的功能構建大型系統更經濟。”

圖1：我們正邁入“SysMoore”時代

將多個die（或小芯片）放在一個封裝下的Multi-Die系統，有諸多優勢：

• 以具有成本效益的價格加速擴展系統功能（>2X reticle limits）

• 通過重復使用經過驗證的設計/die，降低了風險和上市時間

• 在降低系統功耗的同時提高吞吐量，最高可達30%

• 為靈活的投資組合管理快速創建新的產品變體

那么哪些市場會比較青睞于采用Multi-Die系統呢？據新思科技對采用Multi-Die系統設計的調查，從應用領域來看，服務器/AI占主導地位，網卡/交換機也比較常用，智能手機/圖形/PC領域上的采用主要是一些專用芯片，再就是一些光電共封和汽車領域正在向Multi-Die發展；從制程節點來看，5nm工藝采用Multi-Die的比例最大，再就是7nm和3nm。

隨著2.5D、3D這樣先進封裝技術的進步，Multi-Die系統的實現也越來越成為可能。目前業內已有多個Multi-Die的商業實例，不僅僅是傳統的芯片制造商在向Multi-Die發展，超大規模數據中心廠商、自動駕駛汽車廠商、網絡公司等也都在設計自己的芯片，并以多種方式推動Multi-Die架構的轉變，譬如AMD 的3D V-Cache、蘋果的M2、英特爾Meteor Lake處理器、索尼的CIS、Lightmatter、特斯拉等。這些廠商對性能、安全和可靠性有著特殊的要求，Multi-Die則可以滿足他們在特定領域下的這些需求。

但是從單片SoC到Multi-Die系統的遷移也不是易事。從單片SoC向Multi-Die系統遷移帶來了必須從整體上解決的獨特挑戰：例如異構系統集成、功耗和熱管理、系統設計規劃、Die-to-Die連接、軟件開發和建模、系統驗證能力/性能、系統簽核分析、分層測試和修復、可靠性和安全性、系統良率、內存利用率和一致性等等。在做每一個選擇和決定時，都應考慮到方方面面及其對設計總體PPA目標的影響。

圖2：從單片SoC遷移到Multi-Die系統過程中的諸多挑戰

所以此時就需要EDA和IP產品的介入，來幫助客戶從系統規劃到實現和固件/硬件/軟件聯合開發，助力Multi-Die系統更好的實現。

那么，要設計Multi-Die系統，從整個系統的角度來看，有哪些重要的步驟和需要考量的點呢？

首先，在設計之初時，即在早期架構探索階段，必須采取分析驅動法來考慮各項宏觀架構決策，如IP選擇、硬件/軟件分解、系統級功耗分析和互連/存儲尺寸標注。此外，還要考慮與聚合（利用多個裸片組裝系統）和分解（將應用分解到多個裸片上）相關的Multi-Die宏觀架構決策。

圍繞幾個關鍵領域做出的早期架構決策可以從以下方面改進設計過程：一是將系統分成多個裸片，并且要滿足擴展、制造和功能的需求；二是需要優化Multi-Die系統，包括優化帶寬密度、每比特的能量、成本和延遲，選擇芯片的的協議和接口，如UCIe等；最后是使用Multi-Die系統模型，評估不同制造和封裝技術對性能的影響，加速架構的實現。

圖3：對Multi-Die進行早期架構探索

架構探索做完之后，另一大重要的挑戰是散熱問題。Multi-Die系統將多個組件集成在一起，密集的晶體管密度產生大量的熱量，尤其是Multi-Die System的架構設計幾乎沒有什么散熱的空間，如果熱量散不出去，芯片的功能可能會受到機械應力或翹曲的影響。所以就需要進行熱分析，對整個系統進行功率分析、電源完整性、電熱模擬、力學分析，來滿足功耗和散熱關鍵性能指標。

另外很重要的一點是，Multi-Die系統還需要一種統一的方法來進行die和封裝的協同設計，包括設計、分析和signoff，以加速這些系統的設計閉環。

同時，考慮到如此復雜的系統所運行的軟件也相當復雜，必須盡早開始驗證過程，因此需要創建多模系統的虛擬原型來支持軟件開發。Multi-Die系統軟件開發和系統驗證，需要進行一些關鍵的考慮和解決方法。多抽象系統建模可以利用快速、可伸縮的執行平臺，這些平臺使用虛擬原型、仿真、混合仿真和原型。一般而言，300億的門是Multi-Die最佳的擴展系統。通過使用經過驗證的模型、處理程序、速度適配器，優化軟件的驗證周期，包括die-to-die接口的驗證、Multi-Die系統驗證，以此來將啟動時間最小化。

圖4：軟件開發和系統驗證的一些考量和解決方法

值得一提的是，目前工具流程中的自動化已經提高架構探索效率，超越了過去幾年基于電子表格的手動預測。展望未來，統一的設計空間探索將進一步提高這個過程的準確性和效率。

由此可以看出，Multi-Die系統的實現需要理解上述所有設計過程之間的相互依賴性。對此，新思科技提供了業界較全面、具有可擴展的Multi-Die解決方案，為Multi-Die的成功實現提供了更快的路徑。該解決方案包含全面的EDA工具和IP，不僅支持早期架構探索、快速的軟件開發和驗證、高效的裸片/封裝協同設計，以及穩健和安全的die-to-die連接，而且還能改進芯片的健康狀況和可靠性。久經生產考驗的設計引擎以及黃金簽核和驗證技術能夠更大限度地降低風險，并加速打造出色的系統。（如下圖5所示）。

圖5：新思科技Multi-Die系統解決方案

具體來看，在早期架構探索方面，新思科技的Platform Architect為架構師和系統設計師提供了一個基于SystemC事務級模型（TLM）的工具和高效方法，可以用于早期分析和優化多核 SoC 架構的性能和功耗。Platform Architect使開發者能夠探索和優化SoC基礎設施的硬件—軟件分區和配置，特別是全局互連和內存子系統，以實現合適的系統性能、功耗和成本。

圖6：新思科技的Platform Architect工作示意圖

在軟件開發方面，新思科技的Virtualizer可以加速Multi-Die系統虛擬原型的開發和部署，Virtualizer解決方案能提供更高的生產力，使開發者能夠以最快的速度獲得高質量的軟件（如圖7所示）。在系統驗證仿真方面，新思科技的ZeBu和HAPS則可以用于復雜軟件和系統驗證（圖8）。其中，新思科技ZeBuEP1是業界首個統一仿真和原型設計系統，它能使用戶可以在整個芯片開發生命周期中利用這個單一驗證硬件系統。HAPS-100能允許設計人員、軟件開發人員和驗證工程師通過HAPS Gateway管理multi-design、多用戶部署，以實現最大的生產力和成本效率。

圖7

圖8

在Multi-Die系統設計實現上，新思科技3DIC Compiler平臺是一個完整的端到端解決方案，它結合了許多變革的、Multi-Die設計功能，提供了一個完整的從架構到簽核的平臺，可實現高效的2.5D和3D Multi-Die系統集成，其內部的黃金signoff工具可以保證每個參數都能準確、完整和方便地signoff。

除此之外，新思科技還可以提供一系列經過硅驗證的可靠和安全IP，包括用于高帶寬、低延遲的die-to-die連接的UCIe、用于高帶寬、低功耗內存的HBM和用于防止篡改和物理攻擊的安全接口等等。

圖9：新思科技可以提供一系列經過硅驗證的UCIe IP

為了確保最終制造的良率和產品的可靠性，需要對產品質量進行測試，包括對Multi-Die系統中的各個裸片、內存、互聯以及整個系統進行全面的測試、調試、維修，特別是像3DIC這樣的多系統設計提出了獨特的測試挑戰，IEEE Std 1838-2019就是3DIC一個必須要滿足的標準。最終保證已知合格裸片（KGD）、封裝和系統的可用性。

圖10：需要對產品質量進行測試，對芯片全生命周期進行管理

在測試方面，新思科技的TestMAX系列可以為半導體設備的所有數字、存儲和模擬部分提供創新的測試和診斷功能。通過完整的RTL集成支持復雜可測性設計（DFT） 邏輯的早期驗證，同時通過與新思科技Fusion Design Platform的直接鏈接保持物理、時序和功耗感知。這些新功能，再結合對早期可測試性分析和規劃、分層ATPG壓縮、物理感知診斷、邏輯 BIST、內存自測試和修復以及模擬故障模擬的全面支持。

圖11：新思科技的TestMAX 系列

另一方面可以通過芯片全生命周期管理（SLM）技術進行評估，SLM將監視器集成到設計的組件中，以便在設備的整個生命周期中提取數據，甚至在設備在現場的時候。從硅到系統收集到的深入的、可操作的見解允許持續的分析和優化。對于Multi-Die這一體系結構，重點將放在系統上，因此監控基礎設施應該跨多個系統，在這方面，新思科技的SLM系列產品改進了設備生命周期每個階段的操作指標，該系列有一整套集成工具、IP和方法，在系統的整個生命周期內智能高效地收集和存儲監控數據，并通過使用強大的分析提供可操作的見解。

圖12：新思科技的芯片生命周期管理產品（SLM）系列

Multi-Die系統的出現為電子行業指明了一個新的發展方向，人工智能、超大規模數據中心、網絡，手機和汽車等技術正在改變硅行業的格局，將Multi-Die設計推向前沿。但是我們需要明確的是，Multi-Die系統也面臨著重大的設計挑戰，整個行業需要共同努力，一起推動芯片的創新。