ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Современное состояние китайской микроэлектроники

Новый алгоритм оценки эффективности ускорителей искусственного интеллекта

SIA и BCG оценили предполагаемые меры стимулирования развития микроэлектроники в США

Перспективные разработки в области пьезоэлектрических MEMS-датчиков

ЕС выделяет 2 млрд евро на повышение квалификации занятых в микроэлектронной отрасли

Преимущества и недостатки чиплетов

О важности понимания всех аспектов проектирования

Перспективы развития чиплетов

К вопросам интеллектуальной собственности в области внутрикристальных межсоединений

Некоторые проблемы проектирования ASIC

Взгляд изнутри: Китаю желательно использовать подход «больше, чем Мур»

Перспективы рынка СФ‑блоков до 2027 г.

Xilinx пытается облегчить программирование FPGA

GlobalFoundries и стимулирование производственной базы микроэлектроники в США

Совместная программа Intel и MIC в области удаленной интенсивной терапии

Использование цифровых двойников в микроэлектронике

Использование цифровых двойников в микроэлектронике

Выпуск 17 (6716) от 03 сентября 2020 г.
РУБРИКА: ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Важный фактор в процессе проектирования и производства интегральных схем – ​моделирование этих процессов. Оно позволяет выявлять потенциальные проблемы на максимально ранних этапах и осуществить необходимую оптимизацию. Важным инструментом с этой точки зрения в последние годы стали цифровые двойники.

Цифровые двойники начинают использоваться на все более ранних этапах технологического процесса проектирования ИС. Это позволяет разработчикам создавать более эффективные модели, но одновременно способствует увеличению количества проблем поддержания данных моделей на протяжении всего жизненного цикла ИС. Еще несколько лет назад в полупроводниковой промышленности термин «цифровой двойник» (digital twin) мало кому был известен. Затем внезапно его стали повсеместно использовать, что вызывало путаницу – ​казалось, речь идет не более чем о моделях развития. К настоящему времени сформировалась некоторая степень ясности в том, что касается новых потребителей данных моделей, новых способов извлечения ценных данных в процессе их использования и того, как все перечисленное со временем может повлиять на создаваемые и используемые модели. Неясным остается одно – ​как цифровые двойники повлияют на развитие отрасли в целом.

Начнем с того, что понятие «цифровой двойник» очень широко. В целом цифровые двойники помогают получать представление о реальных вещах с помощью имитационного моделирования. К ним, в частности, относятся автомобильные и пилотажные тренажеры (имитаторы вождения автомобиля и полета соответственно). Такие системы моделируют различные ситуации, в том числе критические, в которых могут оказаться водители и пилоты. Цель – ​научить людей вести себя в подобных ситуациях и выходить из них наилучшим образом. Преимущества применения имитаторов в том, что в любом случае человек остается в безопасных условиях.

Цифровые двойники признаны отличной идеей, но повсеместного распространения пока не получили. Они еще не развиты до такой степени, чтобы легко охватить все абстрактные слои сложных систем. Одна из наиболее значимых проблем в области цифровых двойников – ​совместимость. Сегодня несколько крупных фирм и исследовательских организаций пытаются разработать собственные платформы, например для моделирования цифрового двойника автомобиля. Идея прекрасная – ​такой подход позволит производителям иметь полное виртуальное представление об автомобиле, включая его механические, физические, электрические и электронные аспекты. Проблема в слабости конструкций монолитных платформ.

Что нам сейчас известно о типах цифровых двойников и ролях, которые они могут исполнять? Можно выделить три типа этих систем. Во-первых, это цифровые двойники, ориентированные на цели развития. По сути, это виртуальные платформы, являющиеся цифровыми двойниками в процессе разработки программного обеспечения. Во-вторых, это цифровые двойники, имеющие отношение к данным. Например, в случае здравоохранения – ​цифровые двойники пациентов и больницы в целом, используемые для оптимизации процессов лечения. Третий тип цифровых двойников касается данных, изменяющихся с течением времени, т. е. часто связан с проблемами технического обслуживания. Если продолжать аналогию со здравоохранением, это мониторинг состояния пациента в процессе лечения на основе анализа его цифрового двойника.

С полупроводниковой промышленностью технологию цифровых двойников можно связать при помощи U-образной кривой зависимости интенсивности отказов от времени (рис. 1).



Источник: Cadence

Рисунок 1. Области применения цифровых двойников

* Клиентский опыт (customer experiences) – результат взаимодействия между организацией (бизнесом) и клиентом.

** Деградационный отказ (wear out failures) – отказ, вызванный естественными процессами старения, изнашивания, усталости и т. п. при соблюдении всех установленных правил и норм.


Отраслевые специалисты отмечают, что цифровой двойник для предиктивного технического обслуживания не имеет ничего общего с цифровым двойником, используемым для разработки. Для эффективного применения технологии цифровых двойников необходимо наличие моделей изделий, технологических операций и т. п., а также поддержание этих моделей в течение длительного времени. В конечном итоге для оптимизации производственной линии по выпуску конкретной продукции требуются три цифровых двойника: для разработки изделия, обслуживания оборудования по текущему состоянию, а также для операционных и производственных аспектов. Представление о том, что полезность моделей завершается после окончания разработки и выпуска продукции, более не является верным.

Важной частью процесса внедрения технологии цифровых двойников в полупроводниковой промышленности может стать стандартизация. В этой области уже есть некоторые достижения, например деятельность рабочей группы по предполагаемому стандарту верификации – ​Portable Stimulus Working Group, начавшаяся в 2014–2017 гг., а также результаты исследований других рабочих групп. В целом такие работы базируются на предположении, что если для отдельных компонентов системы (таких как датчики или прикладные процессоры) используются высокоточные модели, обеспечивающие большую верность воспроизведения, то применение цифровых двойников может способствовать сокращению времени разработки подобных систем за счет реалистичного моделирования различных сценариев, а также сокращению сроков аттестации систем. Перспективой может стать создание более качественных изделий в меньшие сроки.

Многие специалисты согласны с подобной постановкой вопроса. Действительно, у цифровых двойников есть преимущества перед системами физического уровня – ​они заключаются в возможности быстрого изменения параметров, условий эксплуатации, функций и т. д. Иными словами, виртуальный продукт легче поддается настройке и конфигурации и не требует вносить изменения в систему физического уровня при изменениях условий тестирования или эксплуатации. Особо подчеркивается, что современная полупроводниковая промышленность развивается в сторону систем со все бóльшей конфигурируемостью. В этих условиях цифровые двойники – ​лучший способ ускорить и удешевить процессы проектирования, тестирования и производства.

Интересно также отметить, что при реализации технологии цифровых двойников размываются границы между этапами всего технологического процесса – ​от проектирования до выпуска, эксплуатации и обслуживания конкретного изделия. Например, нередко при освоении конструкции новой ИС, в которой проектировщики использовали больше высокопроизводительных транзисторов и увеличили число слоев металлизации, производственники сталкиваются с необходимостью оптимизации (рис. 2). Может возникнуть потребность в дополнительных расходах объемом 30–40 млн долл. (условно) по сравнению с первоначальной сметой на модернизацию производственной линии. Если не осуществить эти затраты, может образоваться узкое место, в результате чего пострадают конкурентоспособность продукции и рентабельность производства. Если же средства будут потрачены, но впоследствии окажется, что в этом не было необходимости, это также означает финансовые потери для компании. В настоящее время растет важность оптимизации производственных мощностей на как можно более раннем этапе, при этом неважно, какую бизнес-модель (IDM или fabless) использует производитель, – ​затраты и риски необходимо учитывать в любом случае.



Источник: Siemens

Рисунок 2. Цифровые двойники: границы между проектированием и производством размываются


Итак, цифровой двойник – ​это средство достижения цели. Следовательно, первое, что надо определить, – ​с какой целью создается цифровой двойник?


Производственные цифровые двойники

В сфере производства полупроводниковых приборов концепция цифровых двойников находит несколько применений. Например, анализ плоскости пластины (wafer plane analysis, WPA) на основе изображения шаблона, полученного при помощи растрового (сканирующего) электронного микроскопа (SEM), дает возможность смоделировать то, как рисунок данного шаблона будет экспонироваться на пластине. То есть речь идет о моделировании процесса литографии, создании цифрового двойника литографической установки.

Концепция цифровых двойников может получить и более широкое применение, не ограниченное только реальными данными, – ​например, при создании сети глубокого обучения, способной классифицировать различные типы дефектов. Задача осложняется тем, что заводы по обработке пластин и поставщики шаблонов хорошо справляются с устранением дефектов, поэтому трудно собрать миллионы изображений каждого типа дефектов, чтобы правильно обучить сеть. В этом случае цифровые двойники, генерирующие изображения, схожие с SEM-изображениями или с изображениями, полученными при помощи средств контроля пластин, хранящимися в библиотеках инструментальных средств САПР, позволяют программисту по желанию сгенерировать любое количество изображений дефектов любого вида – ​в том случае, если изображение какого-либо конкретного дефекта в существующих базах данных не находится.

Модели не теряют полезности даже после того, как полупроводниковые приборы переходят к заказчикам. Сфера эксплуатации полупроводниковых приборов на физическом уровне у заказчиков – ​это совершенно другой масштаб цифровых двойников. Важность таких моделей будет только расти как по мере развития технологии цифровых двойников, так и по мере усложнения ИС и конечных электронных систем, в которых они используются. До сих пор специалисты полупроводниковой промышленности основное внимание уделяли аппаратному и программному обеспечению. Но реальность такова, что полупроводниковые приборы и конечные электронные системы функционируют в условиях окружающей среды. С этой точки зрения цифровые двойники должны давать возможность моделировать не только аппаратное и программное обеспечение, но и среды, оказывающие разнообразное воздействие на это оборудование и ПО.

Важный момент – ​использование ИС физического уровня, т. е. произведенных, собранных и протестированных в качестве отдельной ИС, смонтированных на плате, в модуле, «системе-на-кристалле» или конечной электронной системе. Все реальные (т. е. нетестовые) данные этих ИС собираются и интегрируются в едином цифровом потоке данных, цепочке выполняемых задач (Digital Thread). Проектировщикам и производителям становится доступен следующий уровень анализа, помогающий им улучшать свои конструкции, а вся экосистема полупроводниковых приборов получает данные, облегчающие решение проблем проектирования и производительности.

Возможность предсказать эксплуатационные характеристики ИС при использовании в новых условиях увеличивает ценность цифровых двойников. Действительно, как указывают специалисты фирмы ARM, цифровые двойники позволяют тестировать различные сценарии применения ИС, включая «патологические случаи», и притом без неизбежных ограничений, связанных с доступом к системам физического уровня. Такая возможность конфигурирования, тестирования, анализа, подстройки, последующего конфигурирования, тестирования и т. д. обеспечивает мощный механизм обратной связи, позволяющий оптимизировать спецификации системы, дорабатывать и совершенствовать проектируемые конструкции.

К сожалению, некоторые необходимые модели остаются трудно реализуемыми. К цифровым двойникам часто предъявляется требование работы в реальном масштабе времени – ​чтобы справиться с реальными эксплуатационными данными. Главное преимущество цифрового двойника, в отличие от обычных моделей системного уровня, – ​его существование в течение всего жизненного цикла системы. Это помогает не только на этапе разработки и верификации, но и позднее: использование эксплуатационных данных позволяет улучшать цифровые двойники во время всего жизненного цикла, обеспечивая контроль безопасности эксплуатации и ожидаемых откликов.

Со временем подобные модели будут совершенствоваться. Возможность извлечения данных из цифровых двойников обеспечит проектировщикам новый уровень уверенности в создаваемых ими имитационных моделях. Анализ результатов различных испытаний, параметров энергопотребления и эксплуатационных параметров позволяет повысить надежность и снизить количество случаев повторных сборок (после исправления ошибок). Соответственно, проектировщики смогут создавать все более совершенные конфигурации и производные варианты базовых изделий в более короткие сроки и с меньшими издержками.


Развитие технологии цифровых двойников

Модели и последовательность этапов проектирования меняются. Многие этапы, которые прежде осуществлялись последовательно, теперь идут параллельно. Например, разработка аппаратного обеспечения традиционно производилась до создания ПО, а разработка ПО начиналась не раньше того, как аппаратное обеспечение оказывалось полностью готовым к его установке. Для того чтобы параллельность этих (и других) операций давала эффективные результаты, необходимы соответствующие цифровые модели.

Разработка опытных виртуальных образцов уже ведется. При этом требования к точности модели могут быть заменены требованиями к скорости моделирования (и наоборот) за счет использования моделей различных уровней абстракции. Например, простая модель программатора компонентов может быть достаточной для проверки базовой функциональности компонентов и начальной разработки ПО. В то же время детализированная модель формирователя сигналов изображения на физическом уровне в сочетании с полной моделью процессора уровня регистровых передач позволит с высокой точностью моделировать динамику транспортного средства или промышленного робота в реальных условиях окружающей среды, таких как влажность, температура, состояние дорожного покрытия или поверхности передвижения.

Все эти модели сливаются в единую последовательность этапов проектирования. Таким образом, виртуальное проектирование (создание опытных образцов) может начаться еще до этапа моделирования на уровне регистровых передач. В этом случае есть возможность гибридного подхода, то есть виртуального прототипирования и эмуляции с последующим переходом к формированию опытного образца на основе вентильной матрицы, программируемой пользователем (FPGA). Такое прототипирование также может быть гибридным. Далее, при расширении моделирования на остальную часть системы, уже можно больше внимания уделять аттестации (валидации) системы. Таким образом, этапы проектирования образуют единый поток, в котором каждая используемая технология играет свою роль. При этом, с одной стороны, эти этапы и технологии не исключают друг друга, а с другой – ​исчезает четкий порядок начала и окончания конкретных этапов по отношению друг к другу.

В этом случае сохранению синхронизации моделей может помочь предполагаемый стандарт верификации Portable Stimulus. Он предусматривает возможность проведения тестирования с разной точностью. Одним тестам для адекватного функционирования будет требоваться достаточный объем реальных детализированных данных, в то время как другие, будучи более абстрактными элементами, будут работать по заложенным в них критериям (точности, достоверности). Так, для некоторых тестов может потребоваться использование реальных аппаратных средств, в то время как другим хватит и абстрактной модели.

Получение правильных наборов абстракций может оказаться сложной задачей. Модели, используемые для цифровых двойников, должны обладать такими быстродействием и точностью, какие требуются для реализации конкретных задач. Абстракция при этом должна, с одной стороны, точно отображать взаимодействия в рассматриваемой системе, а с другой – ​игнорировать детали, не являющиеся необходимыми для данного исследования.

Освоение виртуальных прототипов расширяет возможности проектирования. Отмечается, что клиенты поставщиков инструментальных средств проектирования проявляют большую активность на стадии разработки спецификаций (технические, функциональные характеристики). Это выгодно для них, поскольку ценность перехода к виртуальной среде заключается в достижении большей ясности в том, как взаимодействуют аппаратное и программное обеспечение, что, в свою очередь, обеспечивает бóльшие преимущества. Именно поэтому и произошло то, что называют «сдвигом влево» (shift left), – ​переход к одновременной, параллельной и взаимоувязанной (вместо последовательной) разработке аппаратного и программного обеспечения. Благодаря этому сдвигу технологии верификации и аттестации (валидации) можно применять с большой эффективностью.

Одна из проблем заключается в том, что цифровые двойники, как правило, представляют собой проприетарные, т. е. фирменные (закрытые) решения. Отрасли же требуются платформы с открытыми исходными кодами или по крайней мере совместимые платформы, на которых можно бесшовно интегрироватьоткрытые и коммерческие инструментальные средства, включая инструментальные средства САПР. Это очевидная потребность с точки зрения обеспечения безопасности, для которого наличие независимых инструментальных средств, проверяющих друг друга, – ​обязательное требование. Отраслевые эксперты подчеркивают, что дело не только в безопасности. Не менее важно убедиться, что изготовители комплектного оборудования (ОЕМ) и их цепочки поставок имеют доступ к лучшим, наиболее конкурентоспособным решениям для каждой конкретной задачи проектирования и верификации.

Еще одна проблема – ​стоимость обслуживания и поддержания моделей в течение длительного времени. Вопрос в том, может ли компания контролировать отдачу от вкладываемых в цифровые двойники средств. Когда разработчик находится в начале реализации проекта и системы на физическом уровне еще не существует, это имеет большое значение. Действительно, чем раньше задаться этим вопросом, тем больше информации можно получить. Позднее, уже в ходе реализации проекта, возникает проблема модернизации цифрового двойника – ​сколько она стоит и какова отдача от нее (окупаемость). Если соответствующие затраты слишком высоки, они могут не окупиться – ​например, при очень сжатых сроках реализации проекта.

Цифровые двойники, создаваемые в процессе проектирования и производства полупроводниковых приборов, по-прежнему не выходят за рамки внутрифирменного потребления. Во-первых, они формируются на основе конкретного технологического процесса, а во‑вторых, фактически представляют собой побочный продукт разработки конкретного изделия. В этом плане разработчикам еще есть куда стремиться. В полупроводниковой промышленности давно существует желание получить выполнимую спецификацию, на основе которой могут быть созданы конкретные реализации, с использованием которых, в свою очередь, можно формировать цифровые двойники под решаемую задачу. В этом случае изменение цифрового двойника начиналось бы с изменения спецификаций. Однако, к сожалению, на практике подобные идеи пока не реализованы.


Заключение

Концепция цифровых двойников получает все большее развитие в полупроводниковой промышленности – ​как с точки зрения технологического процесса разработки и проектирования ИС, так и с точки зрения производства и эксплуатации. По мере того как будет расти осознание ценности этого подхода, на создание соответствующих моделей и средств их синхронизации будет затрачиваться все больше времени, усилий и средств. В конечном счете ценность любого цифрового двойника будет определяться тем, насколько он поможет улучшить достигаемые результаты – ​с точки зрения сокращения цикла проектирования или производства, удешевления, снижения рисков.

В ситуациях, подобных нынешней пандемии COVID‑19, когда все большее число людей работает удаленно, цифровые двойники обретают дополнительные преимущества – ​в частности, благодаря тому, что доступны в любое время и в любом месте.


Bailey Brian. The Evolution of Digital Twins. Semiconductor Engineering, August 3, 2020: https://semiengineering.com/the-evolution-of-digital-twins/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 21(6745) от 28 октября 2021 г. г.