對(duì)于芯片設(shè)計(jì)和具體實(shí)施流程而言，電源完整性是相當(dāng)重要的組成部分。芯片設(shè)計(jì)就需要去測(cè)試，在具體實(shí)施過程中是否滿足了最初定義的電源（power）、性能和可靠性；也是最終產(chǎn)品符合預(yù)期的基本保證。
對(duì)于芯片設(shè)計(jì)和具體實(shí)施流程而言，電源完整性是相當(dāng)重要的組成部分。芯片設(shè)計(jì)就需要去測(cè)試，在具體實(shí)施過程中是否滿足了最初定義的電源（power）、性能和可靠性；也是最終產(chǎn)品符合預(yù)期的基本保證。
市面上其實(shí)已經(jīng)有各類電源完整性（power integrity）解決方案。前不久西門子Calibre interfaces和mPower電源完整性解決方案產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Joseph C. Davis在媒體交流會(huì)上提到，在設(shè)計(jì)層級(jí)（design level）西門子EDA有PowerPro，能夠優(yōu)化RTL，在RTL及gate級(jí)來預(yù)測(cè)功耗。而在封裝和板級(jí)（package and board level），則有Hyperlynx——相關(guān)信號(hào)完整性和系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證。芯片級(jí)（chip level）則有Calibre PERC，針對(duì)電氣過應(yīng)力（EOS，Electrical Overstress）和靜電放電（ESD，Electrostatic Discharge）保護(hù)。
“對(duì)于模擬與IP，對(duì)于數(shù)字層級(jí)而言，在芯片設(shè)計(jì)簽核（sign-off）要引入電遷移和IR壓降（EM/IR）的問題。芯片設(shè)計(jì)者需要驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電源，驗(yàn)證所有模式的功率，并確保足夠的電壓應(yīng)用到gate和晶體管上，以實(shí)現(xiàn)正確的功能和性能。”Davis說，“同時(shí)要確保通過線路的電流，不超過電遷移設(shè)定的限制，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致可靠性問題。”
這是相當(dāng)復(fù)雜的分析過程，需要對(duì)數(shù)十億晶體管、gate，以及“數(shù)萬億多邊形（trillions of polygon）”進(jìn)行分析。“因此西門子認(rèn)為，這是進(jìn)入這一市場(chǎng)的絕佳機(jī)會(huì)，并且可以實(shí)現(xiàn)差異化。”這是西門子近期所推mPower電源完整性解決方案誕生的基礎(chǔ)。
社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型下的芯片設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
Davis用比較大的篇幅談到了如今芯片設(shè)計(jì)的一些背景和挑戰(zhàn)。大背景在于社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，可穿戴設(shè)備、汽車ADAS、工業(yè)智能電網(wǎng)、5G基礎(chǔ)設(shè)施以及IoT等熱門領(lǐng)域，芯片設(shè)計(jì)需求是遠(yuǎn)超從前的。“這些芯片的變化，推動(dòng)了EDA方面的需求。”
“更多的功能出現(xiàn)在die上，芯片設(shè)計(jì)者需要耗費(fèi)更多的精力去確保功耗處在終端產(chǎn)品可接受的范圍內(nèi)（power envelope）——才能實(shí)現(xiàn)更好的續(xù)航，產(chǎn)品有更長(zhǎng)的壽命。”Davis說，“為了達(dá)成這樣的目標(biāo)，也就需要增加更多的電源管理、更多的電源域。如此一來也就增加了數(shù)字die的復(fù)雜性，以及模擬介面（interface）。模擬混合信號(hào)模塊數(shù)量以更快的速度增長(zhǎng)。”上面這張圖是來自Semico Research的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
畢竟數(shù)字連接到真實(shí)世界一定是需要模擬介面的——比如與傳感器連接，才能將信息帶到數(shù)字die上做處理；與此同時(shí)模擬介面又是通信過程中的必要角色——從通信通道將信息帶到數(shù)字側(cè)。“這就改變了我們做設(shè)計(jì)的方式，給EDA帶來了壓力，需要同時(shí)滿足數(shù)字與模擬設(shè)計(jì)相關(guān)的需求。”
Semico Reserch的統(tǒng)計(jì)還提到，2015-2025年，連接到互聯(lián)網(wǎng)的半導(dǎo)體傳感器的年復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)34%，預(yù)期2025年的規(guī)模是296億。“這是因?yàn)檫@些處理單元都會(huì)連接到多個(gè)傳感器。”“不只是相機(jī)中獨(dú)立的那種傳感器，還包括通過介面連接到互聯(lián)網(wǎng)的傳感器。也就是說需要藍(lán)牙或WiFi來做通訊。”
以上這些都造成了設(shè)計(jì)額外的復(fù)雜性。“這對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)境而言造成了巨大的壓力。數(shù)字部分的規(guī)模擴(kuò)展（scaling digital）是有對(duì)應(yīng)的工具的。但所有模擬內(nèi)容以及傳感器相關(guān)的，過去都沒有好的解決方案。”
尤其在模擬部分，僅有針對(duì)小型電路的解決方案存在，包括驅(qū)動(dòng)器、放大器。芯片設(shè)計(jì)者會(huì)用基于SPICE的模擬分析來做動(dòng)態(tài)分析——這樣才能達(dá)成模擬電路在電源、性能、可靠性方面比較出色、細(xì)節(jié)化的分析。“但如果達(dá)到數(shù)百萬量級(jí)的器件，就超出了SPICE仿真工具的能力與性能范圍。”
“所以設(shè)計(jì)人員被迫使用精度更低的方法，比如靜態(tài)分析，或者一些工程上的變通方案（workaround）——他們會(huì)人為地選擇某些部分或者采用某種運(yùn)行模式，來實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)化的分析。”在沒有進(jìn)行詳細(xì)EM/IR分析的情況下就去流片增加了不確定性。這個(gè)過程也會(huì)耗費(fèi)時(shí)間和成本。“在整個(gè)范圍內(nèi)，覆蓋從驅(qū)動(dòng)器、傳感器陣列、模擬子系統(tǒng)，進(jìn)行EM/IR分析，市場(chǎng)上缺少出色的工具。”
“市場(chǎng)迫切需要大規(guī)模的模擬和數(shù)字電源完整性解決方案。”Davis表示。
所以mPower出現(xiàn)了
西門子宣稱，mPower是首款面向模擬和數(shù)字EM/IR的可擴(kuò)展解決方案；讓芯片設(shè)計(jì)人員快速充分驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否達(dá)到了電源相關(guān)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。“mPower是目前唯一一款為所有設(shè)計(jì)流程中任何規(guī)模的數(shù)字、模擬和3D IC提供電源完整性分析的解決方案。”
數(shù)字部分，可支持任意設(shè)計(jì)、任意技術(shù)；可擴(kuò)展性（scalibility）不受限制；支持轉(zhuǎn)型到云；采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)輸入。
模擬部分，用Davis的話來說，是把數(shù)字側(cè)的性能和能力帶到模擬側(cè)。因此模擬部分，“我們能夠提供前所未有的可擴(kuò)展性。設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行全芯片的動(dòng)態(tài)分析，這在以前是做不到的。我們還將其融入到設(shè)計(jì)流（design flow）中——模擬設(shè)計(jì)人員很在意這一點(diǎn)。”“對(duì)于嵌入到（plug into）現(xiàn)有的流程中，可支持任意模擬器（simulator）和提取器（extractor），通過標(biāo)準(zhǔn)接口。”
“可在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上擴(kuò)展”，“支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)引擎”——上面這張圖中可以看到，從數(shù)據(jù)加載側(cè)的數(shù)據(jù)輸入，到時(shí)序、仿真器，到報(bào)告、GUI。“也就意味著，我們不需要大型設(shè)備來運(yùn)行。我們能夠跨各種類型的設(shè)備——不管是內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的還是云上的，來部署存儲(chǔ)和算力需求。”
“對(duì)于數(shù)字部分，市面上有解決方案能夠處理世界上最大的芯片。我們也能做。”Davis說，“不過我們的獨(dú)特性在于，也將其應(yīng)用到了模擬部分。以前動(dòng)態(tài)分析是受限的，我們則能夠進(jìn)行大容量動(dòng)態(tài)分析：從最小的芯片，到世界上最大的電路——包含傳感器陣列、存儲(chǔ)和模擬子系統(tǒng)。這在行業(yè)內(nèi)是絕無僅有的，對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)而言，能夠節(jié)約時(shí)間和金錢。”上面這張圖給出了mPower動(dòng)態(tài)分析的模擬晶體管數(shù)量級(jí)。
媒體分享會(huì)上，Davis也分享了應(yīng)用mPower的幾個(gè)案例。其一是MaxLinear，MaxLinear此前就受限于現(xiàn)有方案的分析規(guī)模——某些子系統(tǒng)需要用到更巨量的晶體管數(shù)量。“比如看左下角這張圖，中間的7個(gè)SAR UNIT。這是現(xiàn)有模塊級(jí)解決方案可處理最大的模塊。他們（MaxLinear）和我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手合作已經(jīng)很多年了，對(duì)其余電路部分可做動(dòng)態(tài)分析。”
“而通過mPower Analog，他們針對(duì)大量模塊作了測(cè)試。圖上展示了往上兩個(gè)層級(jí)的SAR TOP；SAR UNIT是競(jìng)品可處理的最大尺寸了。而用我們的工具來做會(huì)非常容易，而且不需要很高的資源需求量。”Davis談到，“總之，這讓MaxLinear能夠?qū)崿F(xiàn)以前無法達(dá)成的動(dòng)態(tài)分析，也不再需要用到以前的變通方案，節(jié)約了時(shí)間和金錢。而且進(jìn)行細(xì)節(jié)化的分析，也更有信心去流片。”
第二個(gè)例子是EFINIX，這是個(gè)FPGA芯片公司。Davis說，由于這家公司FPGA設(shè)計(jì)與運(yùn)行的方式，傳統(tǒng)數(shù)字EM/IR分析不適用；而其先前的供應(yīng)商的模擬與數(shù)字混合方案也不行。所以EFINIX是自己做了一套變通方案的。而在采用mPower Analog之后，也就不需要以前的變通方案了。“這帶來了模擬晶體管級(jí)別的分析，而且是千萬、億級(jí)晶體管。”
數(shù)字相關(guān)的例子是Esperato——這是家AI芯片公司，7nm工藝。“1000個(gè)64bit RISC-V處理器，規(guī)模非常大。他們以前用的工具能夠跑模塊級(jí)別的分析，但在他們的網(wǎng)絡(luò)上并沒有充足的（硬件）資源去跑完整的芯片分析。”所以只能對(duì)布局進(jìn)行分區(qū)，通過多次運(yùn)行實(shí)現(xiàn)全核簽核。
“作為一家初創(chuàng)公司，他們無法再去購買更多的硬件，或者針對(duì)其專有IP租用所需的云算力。”Davis說。據(jù)說在采用mPower Digital之后，這家公司就能夠在其現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上單次實(shí)現(xiàn)完整芯片的簽核。此外Davis也舉了安森美的例子。“安森美有個(gè)團(tuán)隊(duì)是設(shè)計(jì)傳感器的。他們有一顆芯片一半數(shù)字、一半模擬，還連接到傳感器陣列。所以數(shù)字和模擬都需要做擴(kuò)展，這樣才能以細(xì)節(jié)化的方式做整個(gè)系統(tǒng)的分析，最終才能放心地流片。”據(jù)說是先從數(shù)字部分著手，然后到模擬解決方案，以mPower實(shí)現(xiàn)完整的芯片分析。
目前mPower電源完整性解決方案已經(jīng)上市。這應(yīng)該是Mentor成為西門子EDA之后的一大力作，也是在數(shù)字化社會(huì)轉(zhuǎn)型大時(shí)代下，芯片設(shè)計(jì)新需求誕生，作為EDA供應(yīng)商角色的重要思考。
責(zé)編：Luffy Liu
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