現(xiàn)階段，越來越多的芯片應(yīng)用于安全或關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域，對(duì)于芯片缺陷率和良率的要求越來越高。另一方面，對(duì)于企業(yè)來說，更低缺陷率和更高良率也是降低設(shè)計(jì)和制造成本的一種方式。

而在初始設(shè)計(jì)中解決這些問題已經(jīng)成為降低芯片缺陷率、提高良率的新方向。過去，芯片缺陷和良率問題總是被歸結(jié)于晶圓廠。為了確保芯片設(shè)計(jì)能夠成功流片點(diǎn)亮，企業(yè)實(shí)施了限制性設(shè)計(jì)規(guī)則 （RDR）。但RDR對(duì)于芯片設(shè)計(jì)生產(chǎn)來講，仍然存在一些挑戰(zhàn)：

RDR增加了太多設(shè)計(jì)裕量，尤其是在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)上。這會(huì)對(duì)性能、功耗和面積產(chǎn)生負(fù)面影響。

為特定應(yīng)用定制的芯片越來越多，頻繁使用某種類型的先進(jìn)封裝、不同種類的處理器和存儲(chǔ)器，以及過去未批量生產(chǎn)的獨(dú)特架構(gòu)。

在某些應(yīng)用中，芯片的預(yù)期壽命更長(zhǎng)，這意味著在智能手機(jī)中原本不是問題的潛在缺陷現(xiàn)在可能需要花更大代價(jià)召回。因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開始在設(shè)計(jì)中加入傳感器，以確定芯片從開啟到預(yù)期壽命結(jié)束的使用狀態(tài)。

如今，設(shè)備及產(chǎn)品對(duì)芯片都有著不同的要求。例如，與為物聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)設(shè)備生產(chǎn)的芯片相比，用于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的芯片具有完全不同的應(yīng)力和預(yù)期。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要了解這些芯片隨著時(shí)間的推移會(huì)如何表現(xiàn)，從環(huán)境和使用條件到老化、電熱、應(yīng)力和變化效應(yīng)等綜合考量。

“可靠性是當(dāng)今電路設(shè)計(jì)和仿真中需要解決的最重要議題之一，”西門子EDA ICVS AMS驗(yàn)證產(chǎn)品工程總監(jiān)Ahmed Ramadan Hassan表示。“我們現(xiàn)在擁有的產(chǎn)品在2年、5年或10年后可能不再起作用。例如以特定頻率運(yùn)行的處理器，由于電路中的每個(gè)設(shè)備都施加了應(yīng)力，其頻率可能會(huì)在5年或更長(zhǎng)時(shí)間后下降。對(duì)于更大的設(shè)計(jì)，這種偏壓或溫度方面的應(yīng)力會(huì)降低特定設(shè)備的整體性能。因此，芯片可能無法執(zhí)行預(yù)期的功能，或者會(huì)降低其預(yù)期的功能?！?/p>

設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在必須在電路設(shè)計(jì)和驗(yàn)證中考慮可靠性問題，有效地將有關(guān)缺陷、良率和可制造性問題從設(shè)計(jì)到制造流程中一直左右轉(zhuǎn)移。

“過去，由于缺乏良好的可靠性分析和仿真技術(shù)以及可靠性模型，設(shè)計(jì)人員會(huì)過度設(shè)計(jì)，并留有很多裕量。他們?cè)谠O(shè)計(jì)中添加了大量防護(hù)帶，來確保該產(chǎn)品至少在保修期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)故障?！?/p>

這種轉(zhuǎn)變意義重大，但需要從更高層面來看，才能真正了解其包羅萬象?！岸嗄陙?，我們始終努力制造更好、更快、更新的芯片，”Vtool前數(shù)字設(shè)計(jì)經(jīng)理Aleksandar Mijatovic表示?！爱?dāng)技術(shù)處于臨界點(diǎn)時(shí)，我們也面臨著一系列問題。有時(shí)技術(shù)突破邊界卻與預(yù)期背道而馳。這意味著如果嘗試使用最大頻率來實(shí)現(xiàn)芯片上的最大密度，則很可能在給定技術(shù)的可能性邊緣工作，有時(shí)可能會(huì)破壞芯片功能。但另一方面，這不是工程師的錯(cuò)。我們都知道這一點(diǎn)，但市場(chǎng)要求更好、更新、更快?！?/p>

經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)也在向左轉(zhuǎn)移。雖然這種動(dòng)態(tài)在某種程度上一直存在，但隨著芯片制造商努力控制成本，這種趨勢(shì)已成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

圖1：每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的SoC成本以百萬美元成倍上升。

圖源：Cadence

“當(dāng)前，一些公司表示，‘我們沒有必要使用最新工藝制程，而是需要可靠的工藝節(jié)點(diǎn)。我們不想太頻繁地更換芯片。’這并不是什么新鮮事，只是關(guān)注重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)移，” Mijatovic表示?！坝性S多公司正在使用非常過時(shí)的技術(shù)制造芯片。因?yàn)槌墒旃に囈呀?jīng)足夠好，且經(jīng)過驗(yàn)證，并且沒有太多驚喜，整個(gè)汽車芯片制造工作都是用成熟技術(shù)完成的。在追逐全新的更先進(jìn)的技術(shù)和工藝過程中，我們忘記了很多時(shí)候并不需要最新的制程節(jié)點(diǎn)?！?/p>

對(duì)于汽車、醫(yī)療、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，這些考慮變得更加復(fù)雜。在這些應(yīng)用中，芯片成本急劇上升、對(duì)更長(zhǎng)壽命的需求、令人生畏的更換成本以及出現(xiàn)問題時(shí)的潛在責(zé)任掀起了一場(chǎng)風(fēng)暴。

“當(dāng)我們開始談?wù)撛谄噾?yīng)用中使用電子產(chǎn)品時(shí)，更重要的是要確保此類故障不會(huì)發(fā)生。確保全面考慮了這些問題，確保汽車電子在更長(zhǎng)時(shí)間或很短時(shí)間內(nèi)都不會(huì)出現(xiàn)問題，” Hassan表示。“此外，這意味著在設(shè)計(jì)方面需要更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩雷o(hù)。”

與此同時(shí)，隨著從汽車、機(jī)器人、無人機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)景的自主性越來越高，可靠性已成為重中之重。

安全問題

與可靠性密切相關(guān)的是安全性，尤其是在汽車、醫(yī)療、工業(yè)和軍用／航空應(yīng)用方面。

Vtool項(xiàng)目經(jīng)理Olivera Stojanovic 回憶稱，在一次與安全相關(guān)的會(huì)議上，最終得出的結(jié)論是，若黑客可以在車輛行駛過程中控制汽車駕駛，那么security（面對(duì)惡意操作的安全）可能比safety（面對(duì)非惡意操作的安全）更重要。

Mijatovic指出，當(dāng)很少有設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，這并非什么大問題。“這不僅是我們的個(gè)人電腦和手機(jī)，還有冰箱、微波爐和暖氣。我們把所有設(shè)備都連接入網(wǎng)。”

越來越多的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)將增加設(shè)備的復(fù)雜性，這反過來又需要更多的驗(yàn)證和更好的兼容性。

“從設(shè)計(jì)驗(yàn)證的角度來看，可以將提出的每個(gè)附加要求都視為規(guī)范中的附加層，”Mijatovic表示?！耙?guī)范并不意味著設(shè)備必須執(zhí)行規(guī)范中的功能，而是需要保證設(shè)備更可靠、準(zhǔn)確和安全地運(yùn)行。所有這些都可以定義為功能，最終也將作為功能實(shí)現(xiàn)。可使用不易出錯(cuò)或不易被黑客入侵的架構(gòu)，并進(jìn)行安全檢查。最后，這也適用于協(xié)議，以及從一開始就考慮到的安全性或可靠性概念?！?/p>

持續(xù)監(jiān)測(cè)

這些可靠性問題不僅限于汽車領(lǐng)域。“我們已經(jīng)開始看到，對(duì)于其他應(yīng)用，可靠性設(shè)計(jì)和可靠性驗(yàn)證也變得越來越重要，”Hassan表示。“我們已經(jīng)看到許多EDA供應(yīng)商與Compact Model Coalition等組織合作，從電路設(shè)計(jì)所需的仿真和建模角度解決這種可靠性問題。”

Compact Model Coalition開發(fā)了一個(gè)用于老化和仿真的標(biāo)準(zhǔn)接口，稱為開放模型接口，為代工廠或任何設(shè)計(jì)公司的各個(gè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種方法來集成老化模型以處理機(jī)械退化等影響、熱載流子注入（HCI）等機(jī)制或該接口內(nèi)的負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性 （NBTI）。它還能夠使用EDA工具運(yùn)行仿真，并在5或10年后或在該產(chǎn)品的預(yù)期使用壽命內(nèi)捕獲芯片運(yùn)行狀態(tài)。

“這項(xiàng)工作旨在是通過運(yùn)行這種分析，設(shè)計(jì)人員將不需要過度設(shè)計(jì)，因?yàn)橐呀?jīng)有了這種老化仿真，” Hassan表示?！艾F(xiàn)在他們可以看到并預(yù)測(cè)其設(shè)計(jì)在一定年限后的狀態(tài)，并且可以將其設(shè)計(jì)推向極限以獲得性能——但不會(huì)留有裕量。當(dāng)他們開始使用時(shí)，實(shí)際上可以在其電路和設(shè)計(jì)中添加一些補(bǔ)償技術(shù)。”

使用的一些技術(shù)包括創(chuàng)建片上監(jiān)控器和傳感器，以檢測(cè)操作期間設(shè)備性能的任何下降。通過這種感應(yīng)，可以應(yīng)用補(bǔ)償來適應(yīng)參數(shù)退化，從而避免設(shè)計(jì)的整體性能退化。

額外的監(jiān)控器可能會(huì)增加設(shè)備和后續(xù)產(chǎn)品的面積，并消耗額外的功率或影響性能。但在某些情況下，擁有此類監(jiān)控器和補(bǔ)償技術(shù)可以確保在不造成傷害或服務(wù)中斷的情況下采取糾正措施。

老化和應(yīng)力

雖然老化和各種類型的應(yīng)力（機(jī)械、電氣、熱）是不可避免的，但能夠預(yù)測(cè)這些影響會(huì)對(duì)設(shè)備執(zhí)行規(guī)范的時(shí)間產(chǎn)生重大影響。預(yù)測(cè)影響的關(guān)鍵要素之一是了解芯片的使用環(huán)境。

“對(duì)于分析的探索源于汽車等傳統(tǒng)領(lǐng)域，例如如何對(duì)應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行建模，如何讓設(shè)計(jì)工程師有信心確保部件在未來15年內(nèi)都能正常工作?！盋adence數(shù)字與簽核小組高級(jí)產(chǎn)品管理總監(jiān)Brandon Bautz表示?！捌噾?yīng)用要求設(shè)備能夠運(yùn)行10年，但只消耗這么多電力，否則我的電動(dòng)汽車不會(huì)走那么遠(yuǎn)。部件的可靠性和性能之間需要平衡。如何獲得更準(zhǔn)確的分析，以便可以更清楚地了解芯片性能與可靠性？從數(shù)字角度進(jìn)行的老化分析已經(jīng)有一段時(shí)間了，但分析結(jié)果相對(duì)悲觀。但考慮到10年前，甚至5年前擁有的工具，這種分析方法確實(shí)是需要的?！?/p>

然而，鑒于汽車行業(yè)對(duì)硅的依賴程度如此之高，出于成本原因，許多較新的領(lǐng)域也在尋求高可靠性?！澳梢允剐酒浅？煽浚赡軣o法按照需要的方式運(yùn)行?！?Bautz表示?！坝捎谛酒旧淼膹?fù)雜性，成本、性能、面積和風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)衡變得越來越激烈。因此，需要進(jìn)行的分析類型更加復(fù)雜。保護(hù)帶和確?？煽渴呛玫?，但根據(jù)我們所做的一些研究，以及我們?cè)诒碚骱头治鏊惴ㄖ兴龅母倪M(jìn)，已經(jīng)展示了客戶使用這些較舊的方法所擁有的利潤(rùn)率。通過更準(zhǔn)確的分析，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將能夠平衡可靠性和性能?！?/p>

這為更多的全面分析打開了大門，反過來又會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生重大影響。

“從了解過去二十年的工作方式開始，我們認(rèn)識(shí)到10年前有限的計(jì)算能力無法真正捕捉到問題的真正本質(zhì)。在這種情況下，我們指的是老化，以及影響老化的應(yīng)力依賴性，”Bautz稱?！巴ㄟ^在數(shù)字分析中將兩個(gè)部分放在一起，表征過程可以在單元級(jí)別捕獲設(shè)備性能。然后查看設(shè)計(jì)級(jí)別，并在設(shè)計(jì)的上下文中觀察特定的元件和設(shè)備性能。將特征與時(shí)序分析相結(jié)合，為設(shè)計(jì)人員提供準(zhǔn)確度，更具體地說，讓設(shè)計(jì)人員深入了解他們的電路在整體設(shè)計(jì)環(huán)境中的工作方式。那么將電路置于設(shè)計(jì)環(huán)境中，便可以分析設(shè)備的實(shí)際應(yīng)力。因此，我們可以更準(zhǔn)確地分析老化對(duì)設(shè)備的影響，并了解它如何影響設(shè)備的整體壽命?！?/p>

模擬可靠性問題

這僅適用于數(shù)字設(shè)計(jì)，模擬設(shè)計(jì)面臨著更多的自身挑戰(zhàn)。

如今，幾乎所有的芯片都包含模擬電路?！凹词乖趽碛袛?shù)百萬個(gè)門級(jí)的系統(tǒng)中，仍然存在一定數(shù)量的模擬電路，而且這個(gè)數(shù)量還在增加。”Cadence定制IC和PCB集團(tuán)產(chǎn)品管理總監(jiān)Jay Madiraju表示。“模擬設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)關(guān)心的不僅僅是功能，他們?cè)O(shè)計(jì)的模擬組件和模塊將與龐大的數(shù)字邏輯電路相連接。他們想預(yù)先知道設(shè)計(jì)是否可靠?！?/p>

可靠性在模擬方面具有多重含義?！爱?dāng)您查看經(jīng)典浴缸曲線時(shí)，您認(rèn)為什么時(shí)候產(chǎn)品才算是可靠的？可靠性的概念實(shí)際上意味著什么？這需要看模擬器件隨著時(shí)間的推移是否能夠運(yùn)作良好，”Madiraju表示?！斑@絕對(duì)是模擬人關(guān)心的問題。那么，隨著時(shí)間的推移，電路如何發(fā)揮作用？從多年經(jīng)驗(yàn)來看，設(shè)備故障將會(huì)變得越來越多，越來越不易于使用。但哪些地方損壞了？就載流子遷移率、閾值電壓和其他器件特性而言，這是整個(gè)電路按其應(yīng)有的方式運(yùn)行的基礎(chǔ)。它是如何隨著時(shí)間的推移而退化的，如何在退化之前預(yù)測(cè)？”

雖然老化技術(shù)的仿真已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但其任務(wù)配置文件在過去幾年中才得到了改進(jìn)。

“在任務(wù)配置文件之前，工程團(tuán)隊(duì)仿真了最壞的情況，”他介紹?！啊@將是最糟糕的情況。該芯片將用于汽車領(lǐng)域。我們將假設(shè)這輛車將永遠(yuǎn)在120°的天氣里。如何仿真這種極端情況？’你必須通過假設(shè)這些極端惡劣情況來保障設(shè)備可靠性，但其意外后果是過度設(shè)計(jì)、過度裕量和保護(hù)帶。設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)理念相當(dāng)保守，全面考慮性能會(huì)受到的影響——性能來自不同方面，比如速度、時(shí)序和功率泄漏，以及芯片應(yīng)該如何表現(xiàn)的所有不同方面。任務(wù)配置文件有助于解決這個(gè)問題，因此可以定義不同的條件，包括溫度、電壓和其他隨時(shí)間變化的條件。你可以說有時(shí)候這些芯片有不同的應(yīng)力模式，或者在這種操作下，比如在進(jìn)行校準(zhǔn)過程時(shí)，它會(huì)承受多大的應(yīng)力。應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致退化。不同模式下也不盡相同?！?/p>

另一方面是制造可靠性，在模擬領(lǐng)域中，有幾個(gè)因素將會(huì)影響可靠性。“一個(gè)是時(shí)間的退化。另一個(gè)是在制造過程中發(fā)生的未通過測(cè)試的缺陷，例如芯片已經(jīng)完工且在將其發(fā)布給原始設(shè)備制造商之前已經(jīng)完成了初始測(cè)試。例如，在汽車領(lǐng)域，一些芯片通過了這些測(cè)試并交付給客戶，汽車OEM會(huì)面臨這些問題?？煽啃詥栴}將是業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的問題。”他解釋。

這就是模擬故障仿真的用武之地。它類似于數(shù)字端的DFT，在芯片流片之前的驗(yàn)證過程注入故障?！拔覀兛梢钥吹侥男┕收蠜]有影響，哪些故障會(huì)影響輸出，哪些不會(huì)影響輸出，然后可以嘗試進(jìn)行覆蓋測(cè)量。我們正在通過各種測(cè)試來驗(yàn)證設(shè)計(jì)。當(dāng)注入故障時(shí)，預(yù)期看到的是錯(cuò)誤的輸出。最終，所有這一切的目標(biāo)是看看在使用測(cè)試集來運(yùn)行電路時(shí)，是否捕捉到了需要的一切現(xiàn)象，以便當(dāng)芯片退化時(shí)客戶不會(huì)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤？” Madiraju說。

電熱效應(yīng)是模擬領(lǐng)域中另一個(gè)日益重要影響因素，而自熱模型中缺少的是熱量對(duì)相鄰或附近設(shè)備的影響。這需要電熱模擬仿真。

“以前，工程團(tuán)隊(duì)只會(huì)進(jìn)行熱模擬，測(cè)量傳播效果，然后他們會(huì)根據(jù)對(duì)功率的影響返回相應(yīng)信息至模擬電路，這是電氣仿真、電路仿真和熱之間單向流動(dòng)的一部分。”他說?！艾F(xiàn)在，這對(duì)于先進(jìn)芯片和高壓設(shè)備來說顯然是不夠的，當(dāng)然還有汽車領(lǐng)域的那些芯片，以及承受高壓條件的工業(yè)芯片。亟需一種綜合方法，使這種反饋效應(yīng)在單個(gè)仿真中建模。”

可靠性和內(nèi)存

內(nèi)存對(duì)可靠性的影響越來越大，因?yàn)閮?nèi)存選擇會(huì)影響從功率到面積的所有性能參數(shù)。這在 DRAM中尤為明顯，隨著時(shí)間推移，選擇高帶寬內(nèi)存或GDDR會(huì)對(duì)內(nèi)存在其他組件環(huán)境中的狀態(tài)產(chǎn)生重大影響。

“與DDR、GDDR或LPDDR相比，HBM設(shè)備的功耗將更低，需要處理的物理接口更少?！盨ynopsys內(nèi)存接口IP產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Brett Murdock表示?！叭绾卧赟oC上物理實(shí)現(xiàn)它們是不受控制的。你想做什么，就可以做什么。你可以將一個(gè)完整的線性PHY放在芯片的一側(cè)，可以環(huán)繞在角落，也可以將它折疊起來。有無數(shù)種方法可以實(shí)現(xiàn)該物理接口。但是使用 HBM，則需要放置HBM立方體，而JEDEC已經(jīng)準(zhǔn)確定義了該立方體上的凸點(diǎn)地圖是什么樣子。這意味著雖然就放置凸點(diǎn)的位置而言，靈活性可能較低，但它能夠帶來更好的可預(yù)測(cè)性和可靠性。中介層以及如何將其連接在一起有多種不同的選擇，但歸根結(jié)底，如果選擇GDDR、LPDDR、DDR，則可以構(gòu)建數(shù)百萬種不同的電路板，以數(shù)百萬種不同的方式將其連接起來，導(dǎo)致數(shù)百萬種不同的實(shí)現(xiàn)方式，以及數(shù)百萬種不同的錯(cuò)誤結(jié)果。而對(duì)于HBM，放入PHY，放入設(shè)備，并且如何在這兩者之間放置中介層沒有太多可變性。SoC和HBM設(shè)備之間會(huì)有最小間距規(guī)則?！?/p>

在可能的情況下，重復(fù)過去有效的方法可以大大確保它在新設(shè)計(jì)中有效?！爸貜?fù)有助于提高可靠性，” Murdock認(rèn)為?！拔覀?yōu)槊總€(gè)客戶做同樣的事情，或幾乎同樣的事情，這一事實(shí)意味著我們?cè)絹碓接薪?jīng)驗(yàn)。這是經(jīng)過驗(yàn)證的方案?！?/p>

偏差

偏差是另一個(gè)影響可靠性的因素，因此了解其對(duì)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)和先進(jìn)封裝的影響尤為重要。造成偏差的原因有很多，從材料中的污染物和CMP的剩余顆粒，到封裝過程中的芯片移位和光刻技術(shù)的不一致性。芯片在什么時(shí)候會(huì)產(chǎn)生缺陷，以及如何在設(shè)計(jì)階段解決這些問題仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

“設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)意識(shí)到需要對(duì)設(shè)計(jì)中的偏差采取解決措施，”西門子EDA AMS驗(yàn)證產(chǎn)品PLM 軟件負(fù)責(zé)人Sathishkumar Balasubramanian表示?！叭藗儑@這個(gè)談?wù)摬煌母拍?，包括穩(wěn)健性和可靠性。歸根結(jié)底，這些都指向同一目標(biāo)，即客戶希望設(shè)備能夠在投入最終產(chǎn)品的任何地方工作，且能夠在給定的合理時(shí)間表內(nèi)工作更長(zhǎng)時(shí)間。”

Balasubramanian表示，偏差非常重要，以至于業(yè)界開始將偏差作為高sigma要求包含在內(nèi)，從庫(kù)組件的設(shè)計(jì)流程早期開始，將其作為流程的一部分。“他們旨在確保組件堅(jiān)固耐用。例如，在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中，對(duì)于給定的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)和特定工藝，它滿足所有不同的 PVT，范圍更廣，并且仍然滿足3到7 sigma要求?！?/p>

總結(jié)

將所有這些部分放在設(shè)計(jì)到制造流程的最左側(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。實(shí)際上，過去可以在制造中修復(fù)的問題已經(jīng)越來越難以完成。如今，必須在更左側(cè)考慮潛在問題，這意味著設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在努力解決通常為工藝工程師保留的概念，而工藝工程師正在將數(shù)據(jù)反饋給EDA供應(yīng)商，從而對(duì)工具進(jìn)行調(diào)整，或增加新功能。

當(dāng)前，可靠性仍是一個(gè)普遍性挑戰(zhàn)，從最初設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品監(jiān)控，整個(gè)供應(yīng)鏈都需要為保障芯片可靠性盡職盡責(zé)。