如何應對芯片物理冗余持續縮小？

更小的工藝節點，加上不斷尋求在設計中添加更多功能，迫使芯片制造商和系統公司不得不考慮選擇哪些設計和制造才可以在不斷縮小的冗余中爭取更多的空間。

在過去，晶圓制造廠和芯片設計團隊之間的差距很大，前者實施了高度限制性的設計規則（RDR）來補償新工藝技術的不確定性，后者在設計中內置了額外的電路以確保可靠性。RDR為晶圓廠的各種工藝增加了冗余，使晶圓廠能夠緩沖從畸形特征到工藝變化的一切——新工藝的問題總是比成熟工藝更大。對于設計團隊來說，額外的電路提供了一個故障轉移，以防在終端產品上出現問題。

但從FinFET節點開始，僅僅在設計中增加冗余已不再是一種選擇。晶體管密度的增加和導線的變細，達到了總系統余量（晶圓廠和設計團隊共同構建芯片的總和）開始影響性能和功率的程度。簡單地說，通過更細的導線和額外的電路將信號驅動更長距離需要更多的能量，這可能會降低性能，并帶來成本的提升。

因此，晶圓廠開始與EDA公司更緊密地合作，通過更好的工具來減少“防護帶”，越來越多地通過應用AI/ML和更詳細的模擬，以及將這些工具與新的工藝技術更緊密地集成。這帶來的結果是，不同的團體爭取任何可用的冗余，貫穿整個設計制造流程。

但是傳統的冗余設計可以對沖異質集成中的不確定性，也可以緩沖各種類型的噪聲和晶體管密度增加帶來的物理影響。它還改變了測試、計量和檢查的插入點，特別是安全和任務關鍵型設計，并將測試擴展到制造之外的領域，當數據路徑因老化或潛在缺陷而退化時，可以使用冗余部分重新路由信號。

在某些情況下，這也促使芯片制造商在硅中得到充分證明的技術，或者由于其固有的冗余而更具彈性的技術，與最新、最先進的技術之間做出選擇。

PDF Solutions總裁兼首席執行官John Kibarian表示：“人們正在尋找能夠容忍可變性的設計，以使自己免受冗余問題的影響”。“某些架構有助于實現這一點。因此，任何類似陣列或本質上平行的元件——比特幣挖礦芯片、GPU、TensorFlow芯片或任何其他IPU（智能處理單元）——相對于CPU或單個處理元件，都往往具有可變性。這些已經占據了大部分工作負載，工作負載現在正在轉移到本質上更具可變性的事情上。這將使您與晶圓廠的可變性隔絕開來。但是，變化性最低的晶圓廠仍然積累了最大的市場份額，因為你仍然可以使用變化較小的技術，從而生產出變化較小的產品，并且你會為此獲得報酬。”

如果只能獲得更少的冗余，也會迫使相關廠商重視改進現有的制造工藝，其中一項關鍵工作是將一個或多個步驟的數據與晶圓廠的其他步驟集成在一起。

Tignis總裁兼首席執行官Jon Herlocker表示：“數據集成是其中的關鍵部分。”“晶圓廠內部有很多數據庫，尤其是在前端和后端之間，因為很多可靠性和測試都發生在后端，而且很多時候后端數據庫沒有連接到前端數據庫。我們在數據庫方面看到的另一個有趣的問題是，先進封裝正在成為一件大事。通常與前端相比，后端封裝方面的基礎設施技術含量較低，但現在事情似乎發生了改變，先進封裝的基礎設施技術含量越來越高。因此，現在我們需要問自己，‘我們是否將后端技術升級到可以處理我們現在的復雜性的程度？’”

芯片設計和制造中的每一個過程都需要收緊，以彌補利潤率的下降。這包括制造和測試、計量和檢驗方面的關鍵領域。

Onto Innovation光刻產品營銷總監Keith Best表示：“如果你看看鍍銅層壓板，這是目前先進封裝扇出的最新技術，你可能會看到有多達20層RDL。”“你必須確保這些登記是準確的。當然，人們總是試圖獲得更好的（計量和檢查）分辨率性能。隨著分辨率越來越高，覆蓋層也越來越緊，然后你會擔心基底是否穩定。對于覆銅層壓板，當你固化這些層時，你可以改變基底的形狀。隨著它在許多層面上的變化，開孔變得越來越難滿足，你最終會損失收益。”

這為制造中使用的新材料創造了機會，包括玻璃、永久粘合材料等。但由于在理解材料與其他工藝結合時的確切表現方面存在差距，因此也需要一定的余地。

Brewer Science公司首席技術官Rama Puligadda表示：“我們需要幫助的是弄清楚我們的材料在客戶流程中的具體表現。”“如果我們能夠了解加工條件，我們就可以模擬材料在這些過程中的行為或性能。這將有助于我們預測故障并縮短反饋循環。”

更糟糕的是，今天使用的材料——就像許多制造工藝一樣——與五年前大不相同。

Puligadda說：“如今用于封裝的材料在性能、穩定性、質量、環境兼容性和清潔度方面都要達到更高的標準。”“今后，將需要無PFAS和PFOS的材料，并需要更高水平的清潔度來支持混合粘合等工藝。封裝材料將向前端質量要求轉變。”

更好的設計工具，但數據更加孤立

在設計方面，分配余量一直是一個挑戰，但在針對特定領域的異構設計中，這變得越來越困難。這種異質性使芯片制造商能夠嘗試不同的選擇，并出于競爭原因實現工程變更訂單。但現在冗余度太低，需要做更多的前期工作，這就是為什么設計技術協同優化和系統技術協同優化近年來受到如此多的關注。決策需要在這個過程的早期做出，因為物理冗余正在影響從隨機到原子層過程的一切。

多家公司董事會成員、Arm前首席執行官Simon Segars表示：“長期以來，冗余度一直在上升。”“機器學習（ML）在設計中的一些應用是一個機會，可以跨越更大的邊界進行優化，擠出一些冗余度，并以稍微不同的方式理解失效機制。”

這就造成了一個爭論點，因為雖然設計團隊總是希望獲得更多的冗余，但也會受到物理方面的懲罰。至少在設計的前沿，冗余越少就意味著性能和功耗越好，但這也需要重新思考各種流程和方法。邊際需要在整個系統的背景下考慮，而不僅僅是單個區塊或過程。

Movellus總裁兼首席執行官Mo Faisal表示：“每個人都想降低冗余。”。“當你看300瓦及以上的處理器時，你真的找不到一個包。也許你只需要把它減少幾瓦，它就從不可能變成可能。實現這一點的方法是減少冗余度。‘我在哪里存在超額冗余度，因為每一塊超額冗余度都會增加Vmin，這會降低電壓——功率V2。所以這一切都會反饋回來。”V與時間有關，因此需要擠出每一點可能的冗余，這一切都取決于時間。但它需要一個系統視圖，而不是只看一個區塊。”

3D IC的挑戰變得更加復雜。Synopsys數字設計營銷高級總監Shekhar Kapoor表示：“這就是可怕的部分，也是人們猶豫不決的原因。”。“方法和工具都在那里，我們今天實際上可以幫助你對設計進行分區。我們可以純粹從連接的角度告訴你什么是最好的分區。你可以把所有宏放在一個模具里，你可以在這里有邏輯，然后你可以在那里有內存，你很可能會達到你的高性能目標。但這是最優化的方法嗎？哈你看過照片里的其他東西了嗎？你對它的熱部分做了什么？你有一個熱裕度和一個功率裕度，你必須把它們加在一起。但我們過去有20個不同的角落。現在，對于一個典型的單片設計，我們有大約200個計時角。所以，對于名義上的最壞情況，你必須考慮所有這些組合，所有這些都有一個巨大的乘法因子。這只是為了把握時機。你也有熱問題，老化，電力。你如何延長你的時間簽準，不僅僅是點對點，從一個觸發器到另一個觸發器，還要考慮到功率和熱的影響。如果你能做到這一點，那么至少你在一個地方處理冗余。”

Segars同意了。“你可能會擔心設計中‘這個塊’或‘這片IP’的裕度。在不同的基板上堆疊模具或多個模具，特別是如果它們來自不同的鑄造廠，每個人都會在安全范圍內制造。但如果你一直這樣做，最終你就根本沒有性能了。這可能會導致不同的制造方式ing塊。”

這也增加了對電力完整性分析的需求，而這在十年前通常被認為是不重要的。Ansys營銷總監Marc Swinnen表示：“現在它是一個第一級的簽準工具，因為電壓冗余率變得如此之低。”。“降低功率的最好方法是降低電壓，因此有超低電壓過程。但這意味著你會有電壓下降沒有余量的副作用。你把電壓降得太低了，你真的無法承受任何損失，所以它們對電壓下降變得非常、非常敏感，EM/IR成為第一級的簽字工具。如果你增加電壓下降金，你的最大頻率下降了，因為現在你必須設計一個更低的電壓。所以，你不僅沒有太多的冗余，而且你創造的任何冗余都會直接影響你的業績底線。這意味著，除非萬不得已，否則你真的不想把這個幅度放在那里。盡管如此，人們一直看到芯片的Fmax比最初模擬的要低10%左右，而且他們無法獲得應有的頻率。最常見的原因是動態電壓下降。電壓降分析中存在漏洞，他們沒有發現在實際芯片中會導致影響時序的局部電壓降。他們看到頻率神秘地下降了10%，這是由于他們沒有預料到的電壓下降情況，可能是由于動態電壓下降，而動態電壓下降已經完全超過了傳統的靜態固有電壓下降。挑戰在于確定哪些開關組合是現實的，哪些開關組合會導致最差的電壓降，以及如何緩解這些問題，如何修復這些問題。但在整個芯片上覆蓋冗余以抵消這一點的想法是不可行的。這已經成為一個非常困難的問題，你需要更聰明的技術來識別現實的切換。”

此外，基于防護帶不再是一種選擇的事實，冗余度可能決定哪種工藝——或者在先進封裝的情況下，哪種工藝最適合特定的設計。Movellus的費薩爾說：“先進的節點還不成熟。”。“有更多的變化，電線中有更多的電阻，你可以通過提高電壓來支付。柵極的電壓可以降到0.6伏，但即使是3納米，你也必須保持在0.75伏左右。這一切都是有余量的。”

結論

如何分配冗余以及分配給哪些群體正在成為一個重大挑戰。它不再局限于一個流程或流程的一部分。相反，冗余需要在一個系統的背景下考慮，有時甚至是一個系統的系統，并且需要將其視為跨越多個組的總數。

目標是提高可靠性，冗余會影響處理元件、存儲器、芯片架構的選擇，并最終影響信號的完整性和系統的彈性。它是每個設備的核心，盡管它對于設計到制造鏈的不同部分并不總是顯而易見。如今的芯片行業正在努力應對冗余持續減少的影響，以及如何彌補寶貴捷徑的損失。

編譯：芯智訊-浪客劍