行業應用方案 | 高性能IC設計

Ansys 行業應用方案連載（6） | 高性能IC設計

最近幾年隨著人工智能芯片在中國雨后春筍般的蓬勃發展，人工智能芯片以其設計規模、設計復雜度和先進設計方式引領數字芯片設計行業。特別是3D IC的采用，使得人工智能芯片的性能功耗比又上了一個臺階。但采用最先進的設計方法進行復雜的芯片設計也往往伴隨著諸多挑戰。

人工智能芯片的一個重要設計指標是用TOPS（Tera Operations Per Second）Per Watt來衡量。人工智能芯片設計為了追求高能效比，在設計上除了會采用最先進的芯片制造制程，一般也會采用比較先進的芯片設計架構，比如最近幾年被高性能芯片設計廣泛采用的3D IC設計。雖然3D IC設計目前還有很多挑戰，但其設計相對傳統的芯片封裝來說，芯片規模更大（支持3000以上pin腳），信號通道更短，支持HBM（High Bandwidth Memory）等，因此對芯片性能的提升是比較顯著的。

在芯片制程開發難度不斷加大和迫近制程極限的情況下，針對這種典型的人工智能芯片，會面臨如下挑戰。首先是功耗噪聲。人工智能芯片一般功耗都比較大，在相同算力情況下，如果功耗小，無疑會更受市場青睞。如何在芯片設計階段降低功耗是AI芯片設計的一大挑戰。另一方面，AI推理或訓練芯片要求芯片能從功耗很低的休眠狀態（sleep mode）以極快的速度切換到功耗很高的全速處理狀態（operation mode），因此電源供電必須能提供這種瞬態切換所需要的大電流，不能出現供電過沖（overshoot）或塌陷(undershoot)而造成的電壓劇烈抖動。為防止這種情況的出現僅僅依靠芯片內部的電容是不足夠的，還必須審慎選擇interposer、封裝和PCB板上的去耦電容，以協同設計的方式來保證供電網絡（PDN）滿足瞬態電流消耗需求。

其次是HBM設計的挑戰。HBM相對于傳統DDRx設計來說有更高的帶寬和功耗效率，時延很低，占用面積小的特點。如果采用相似的帶寬和存儲大小的情況下，GDDR6的PCB占用面積是HBM2的6倍，功耗消耗多3倍，芯片設計面積接近2倍，HBM的優勢比較明顯。但是HBM設計實施卻很困難，除了滿足嚴苛的interposer設計規則及信號完整性規則外，還必須考慮高位寬（1024 bits或2048 bits）同步開關噪聲問題。技術的發展趨勢要求我們重新審視集成電路設計與驗證的方法學。

Ansys eco-platform提供了從前端到后端、模擬到數字、芯片到系統的功耗、高速數據傳輸和可靠性解決方案。通過Ansys eco-platform提供的解決方案可以極大地幫助設計者優化設計性能，降低成本，縮短設計周期和減少設計者工作量，從而確保具有最新技術和創意的產品及時上市并占領市場，保護設計企業的利益。

Ansys解決方案

針對上述人工智能芯片在功耗、噪聲及可靠性方面的挑戰，采取有效的應對方法可以幫助設計者規避潛在的設計風險。Ansys可提供業界最全面的功耗、電源完整性、信號完整性及可靠性仿真解決方案。主要涵蓋如下場景：

01

RTL級功耗分析及優化

PowerArtist集成了先進的功耗分析方法和自動的功耗優化技術，可以順利實現功耗收斂，可有效地優化60% 甚至更高的冗余功耗。

• RTL級功耗計算

• RTL級功耗debug

• RTL級功耗優化

• RTL級長時間功耗波形曲線掃描power profile

02

高性能AI芯片的電源及可靠性核簽分析

RedHawk-SC基于Seascape大數據分析平臺，可以幫助客戶順利實現大規模高性能AI IC設計功耗、噪聲及可靠性簽核分析。

• 靜態壓降簽核分析

• 動態壓降簽核分析

• 芯片-封裝協同簽核分析

• 電遷移（EM）簽核分析

03

高速接口分析

CSM、CPM結合HFSS和SIwave提供全面的HBM及Serdes高速接口信號和電源完整性分析。

• HBM接口信號完整性分析

• HBM CPS電源完整性分析

• HBM SSN分析

• 高速Serdes信號完整性分析

04

3D IC熱及可靠性分析

3D IC熱及結構可靠性分析。RedHawk-SC-Electrothermal結合Icepak及Ansys Mechanical 可以準確的幫助客戶仿真3D IC散熱及熱應力帶來的挑戰。

• 3D IC散熱分析

• 3D IC電熱耦合分析

• 考慮熱效應的芯片EM簽核分析

• 3D IC熱應力分析

Ansys是業界唯一一家可以提供針對高性能IC設計功耗、噪聲及可靠性仿真的多物理場仿真方案提供商

高性能集成電路設計的挑戰，要求設計者的觀念從對芯片、封裝和電路板孤立地分析向更加系統化全面分析的多物理場（Multi-physics）解決方案轉變。例如，針對低功耗、高性能以及更嚴格設計規范的要求，將芯片、封裝和系統(CPS)作為統一的相互影響的網絡進行分析，這對于保證電路整體系統正常工作十分重要。Ansys是業界唯一一家可以全面提供芯片設計前端到后端、模擬設計到數字設計、芯片級設計到系統設計的功耗、噪聲、時序及可靠性等分析解決方案的EDA廠商。當前，在半導體設計領域排名Top20的公司，都已采用Ansys產品。Ansys的芯片電源噪聲及可靠性解決方案已幫助客戶完成萬次以上的芯片流片成功。