本文翻譯轉(zhuǎn)載于：Cadence Blog

作者：Vinod Khera

對(duì)于最新的微型半導(dǎo)體制作工藝而言，制程工藝變化和器件不匹配帶來(lái)了深遠(yuǎn)影響。復(fù)雜制程工藝也會(huì)影響器件生產(chǎn)的可變性，進(jìn)而影響整體良品率。 蒙特卡洛（MC）仿真使用重復(fù)的隨機(jī)抽樣方法，將工藝變化與電路性能和功能聯(lián)系起來(lái)，從而確定它們對(duì)良品率的影響。然而，要進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)空間研究，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要完成大量的 MC 仿真才能達(dá)到必要的可信度。

一個(gè)芯片上的數(shù)十億個(gè)元件，再加上工藝變化和器件不匹配，我們能運(yùn)行數(shù)十億次統(tǒng)計(jì)仿真并耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證嗎？

運(yùn)行數(shù)百萬(wàn)次甚至數(shù)十億次仿真所需的時(shí)間和運(yùn)算資源是不切實(shí)際的，因此，我們迫切需要在提高效能的同時(shí)滿足統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確度要求。使用 Cadence Spectre FMC Analysis，Broadcom 取得了良好的成果，并且顯著提升了生產(chǎn)力。此外，Spectre 仿真的多處理器模式在保證準(zhǔn)確度的同時(shí)進(jìn)一步縮短了運(yùn)行時(shí)間。本文將探討 Broadcom 借助 Spectre FMC 實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度和性能提升，內(nèi)容摘錄自 Broadcom 團(tuán)隊(duì)之前的 CadenceLIVE Silicon Valley 2024 演講。

為何制程工藝變化總是捉摸不定？

半導(dǎo)體代工廠通過(guò)開發(fā)統(tǒng)計(jì)模型來(lái)準(zhǔn)確形容器件級(jí)別的變化。這樣便可通過(guò)兼顧工藝變化的設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)最大程度降低集成電路（IC）故障的可能性。MC 仿真可使用這些統(tǒng)計(jì)模型來(lái)識(shí)別最壞情況并確保良品率符合預(yù)期。然而，這些仿真需要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源和時(shí)間，對(duì)于芯片上經(jīng)常使用且具有低故障要求的設(shè)計(jì)模塊來(lái)說(shuō)更是如此，例如標(biāo)準(zhǔn)單元、存儲(chǔ)位單元和模擬 IP（ADC、DAC、PLL 和帶隙基準(zhǔn)等）。

盡管仿真工具和大規(guī)模計(jì)算資源（如多核和云計(jì)算）方面已經(jīng)非常先進(jìn)了，執(zhí)行計(jì)算密集型 MC 仿真仍然不切實(shí)際，多數(shù)情況下根本不可能完成。對(duì)于高 sigma MC 分析來(lái)說(shuō)更是如此，這里可能需要超過(guò) 10 億次仿真才能獲得高良品率。例如，用 25 億個(gè)樣本來(lái)確認(rèn)6σ。

為了在更少的仿真次數(shù)和更短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確估計(jì)良品率并判斷最壞情況，半導(dǎo)體行業(yè)需要使用 EDA 工具。要實(shí)現(xiàn)快速、精確的高 sigmaMC 分析，具有一流仿真能力的先進(jìn) EDA 解決方案必不可少。

解決方案：

Cadence Spectre FMC Analysis

為了克服上述挑戰(zhàn)，Cadence 開發(fā)了 Spectre FMC Analysis，將其作為 Spectre Simulation Platform 的一部分，引領(lǐng)行業(yè)步入高性能 SPICE 精確電路仿真。

它使用人工智能增強(qiáng)技術(shù)，以便：

●在不影響統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確度的情況下，盡早、盡快地估計(jì)良品率

●發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)異常值和最壞情況樣本

●與傳統(tǒng) MC 分析相比，在大幅度減少的仿真次數(shù)內(nèi)提取有用的統(tǒng)計(jì)信息

Broadcom 為何選擇采用

Spectre FMC Analysis？

Broadcom 需要的解決方案必須滿足以下要求：能夠準(zhǔn)確地測(cè)量和驗(yàn)證變化模型、具有成本效益并且能無(wú)縫整合進(jìn)現(xiàn)有的 IC 設(shè)計(jì)流程。此外，還必須具備可擴(kuò)展性，以滿足當(dāng)下和未來(lái)的設(shè)計(jì)需求。通過(guò)與 Cadence 合作，Broadcom 將 Spectre FMC Analysis 用于與時(shí)序相關(guān)的準(zhǔn)確度和分析項(xiàng)目中。

該產(chǎn)品為 Broadcom 帶來(lái)的好處包括：

●在高 sigma 下獲得高精度

●應(yīng)用現(xiàn)有 License Pool 的能力

●命令行界面 (CLI) 友好

●輕松整合進(jìn)現(xiàn)有的 IC 設(shè)計(jì)流程 Distributed processing

●分布式處理

●易于擴(kuò)展

●變化準(zhǔn)確度認(rèn)證

案例研究：

Non-Gaussian 分布

為了研究 Spectre FMC 的準(zhǔn)確度和性能，Broadcom 團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)具有 long tail 的案例，該案例不是嚴(yán)格的 Gaussian 分布。

結(jié)果表明，Spectre FMC 有能力處理這樣充滿挑戰(zhàn)的分布。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng) MC 和 Spectre FMC 的性能數(shù)據(jù)，Broadcom 團(tuán)隊(duì)獲得了更大的信心。

如果不使用 Spectre FMC Analysis，處理每個(gè)作業(yè)需要 12 小時(shí)，總運(yùn)行時(shí)間約為 245 個(gè)月的 CPU 時(shí)間，需要使用 1000 個(gè) Spectre License。使用 Spectre FMC，每個(gè)作業(yè)平均需要 0.2 小時(shí)左右，需要使用 300 個(gè) Spectre License，總 CPU 時(shí)間也縮短為 14 個(gè)月。在 Spectre FMC Analysis 的助力下，Broadcom 在一個(gè)月左右的時(shí)間內(nèi)完成了該項(xiàng)目，證明該產(chǎn)品能夠帶來(lái)顯著的性能提升。

Cadence Spectre FMC 優(yōu)勢(shì)

在與 Broadcom 現(xiàn)有 IC 設(shè)計(jì)流程無(wú)縫整合的同時(shí)，Spectre FMC 還大大提高了準(zhǔn)確度和性能。在適當(dāng)?shù)脑S可條件下運(yùn)行時(shí)，Broadcom 每個(gè) CPU 處理每個(gè)作業(yè)的效率提升 60 倍左右。即便減少 License 的數(shù)量，該產(chǎn)品帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)仍然十分顯著，整體性能大約提高了 18 倍。Broadcom 提到，使用 Spectre FMC 的主要優(yōu)勢(shì)在于提升精確度和顯著縮短運(yùn)行時(shí)間。確保有足夠的 License Pool 至關(guān)重要。此外，該產(chǎn)品的命令行簡(jiǎn)單易用，且具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，非常適合用于高效探索整個(gè)設(shè)計(jì)空間。