Влияние новых рыночных тенденций на проектирование ИС

Влияние новых рыночных тенденций на проектирование ИС

Выпуск 23 (6697) от 21 ноября 2019 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Специалисты Semiconductor Engineering побеседовали о влиянии подходов, основанных на различных физических методах, и новых рыночных тенденций на разработку микросхем с представителями ANSYS, Xilinx, Массачусетского технологического института и Infineon. В современных приборах возникает много проблем, связанных с нагревом, динамической плотностью мощности, сопротивлением в разводке, утечкой тока из области памяти, шумовыми эффектами и электростатическими эффектами. Сколько еще может продолжаться развитие имеющихся технологий, прежде чем потребуются фундаментальные изменения в архитектуре, дизайне и производстве?

В целом специалисты считают, что имеющиеся в настоящее время технологии достаточно перспективны и могут развиваться дальше. В маршрутных картах крупных кремниевых заводов, таких как TSMC и Samsung, указано, что развитие имеющихся производственных процессов планируется продолжать. Представители ANSYS считают вполне перспективными свои 3D-ИС, но отдельно отмечают необходимость иметь системы физического моделирования. По их словам, новый уровень технических достижений не позволяет сохранять существующий допустимый коэффициент ошибок. Нельзя рассматривать тепловую энергию как нечто отдельное от мощности, времени или энергии в целом. Все они связаны друг с другом. Основное направление работы состоит в том, чтобы предоставить инструменты для удаления допустимого коэффициента ошибок и проектирования на продвинутых уровнях процесса, в нескольких системах и в нескольких матрицах.

По словам представителей Массачусетского технологического института, по ряду параметров имеющиеся технологии достигли своего предела, однако научный подход всегда способен предоставить альтернативное направление для инноваций. Безусловно, это означает увеличение сложности, но, к счастью, инструменты и методологии продолжают совершенствоваться. Речь не об изменении парадигмы, влекущем за собой упрощение, – ​а о появлении физического моделирования и других инструментов и методологий, способных помочь решить возникающие проблемы. К примеру, машинное обучение и ИИ появились как раз вовремя, чтобы помочь разработчикам справиться с некоторыми задачами.

Предствители компании Xilinx сделали акцент на некоторых труднопреодолимых проблемах, важных в первую очередь для проектирования и процесса регистрации. Определенным вызовом для компании является соблюдение временнóго графика при завершении процесса проектирования и передаче в производство принципиально новых ИС, соответствующих рыночному спросу.

Корпорация Infineon приняла решение отказаться от дальнейшего масштабирования в сторону наименьших топологических норм. Подход иной: совершенствовать 22‑нм технологии в сторону обеспечения большей безопасности и энергоэффективности. Специфические требования автомобильной промышленности создают дополнительные сложности. Для Infineon это также вопросы интеграции, отладки и устранения неполадок. С точки зрения аналитики в разных областях требуются свои подходы и нужны способы их одновременного быстрого просмотра и анализа. Вопросы перехода на самые продвинутые технологические уровни при этом отходят на второй план.

Однако есть и фундаментальные изменения. В прошлом все знали, что микросхемы, разработанные на новейших уровнях технологических процессов, отличающихся наименьшими топологиями, в итоге будут использоваться в смартфонах или компьютерах. Сегодня, благодаря внедрению ИИ в автомобилестроении и других областях, распространению 5G и краевых вычислений, в этих конечных применениях, как и в других областях, происходит процесс переоценки ценностей. Как все это влияет на проектирование и разработку?

C 2009 г. компания ANSYS разрабатывает программируемую логику. Сегодня они используют лицензионные процессорные ядра фирмы ARM, технологию DDR ДОЗУ, сетевые интерфейсы с расширенными возможностями, машинное обучение и т. п. – ​словом, продукты компании становятся все более высокотехнологичными, потому что клиенты требуют этого. Это расширяет область применения продукции компании и открывает новые горизонты в области 5G, автомобилестроения, машинного обучения и сетевых технологий, казавшиеся невозможными еще 10 лет назад. Продукты меняются с развитием технологий, но не меняются основные проблемы, с которыми сталкивается изготовитель ИС, – ​наоборот, этих проблем становится даже больше.

Представители Массачусетского технологического института сравнивают сегодняшнюю ситуацию с дискуссиями пятилетней давности о процессорных ИС и сотовых телефонах. Тогда на рынке был поднят вопрос – ​какими будут новые продукты? Что будет стимулировать новые технологии? Производители стремились ко все большему разнообразию, и на сегодняшний день видны результаты этого развития. Появилась возможность создавать приборы и устройства с новыми физическими свойствами, включая фотонику, а также широко использовать преимущества интеграции. Время предоставляет как новые перспективы, так и новые вызовы.

Сегодня в области электроники происходит переход от вертикального масштабирования к горизонтальному, что приводит к необходимости непрерывного анализа создаваемых систем с точки зрения размера. И это уже становится проблемой не только полупроводниковой, но и электронной промышленности в целом.

Идея создания универсальных кристаллов ИС, по мнению представителей ANSYS, будет продолжать развиваться. В то же время много говорится про ИС для конкретных применений. Это имеет смысл для гигантских корпораций, создающих свои собственные ИС для конкретных случаев использования, и тесно связано с некоторыми из мегатенденций, наблюдаемых сейчас, включая автономное вождение и автомобильную сферу в целом, связь 5G, облачные вычисления, центры обработки данных (ЦОД) и искусственный интеллект. Все это приводится в движение колоссальным потоком инноваций.

Компания Infineon создает много готовых систем для дальнейшей доработки под конкретного пользователя. Большие достижения наблюдаются в сфере «систем-в-модуле» и этажерок кристаллов ИС, при этом во весь рост встают вопросы синхронизации и совместимости различных областей применения ИС, как и проблемы надежности, в том числе связанные с высокой температурой.

Представители Xilinx считают, что не существует универсальной ПЛИС для всех рынков – ​ряд комплектующих должны быть специализированными, учитывающими потребности разных сегментов рынка. Для 5G подходит одно, для автомобильной промышленности – ​другое. Это верно и для специализированных ИС (ASIC), и ожидается, что сегментация этого рынка будет продолжаться. В то же время компаниям, выводящим на рынок несколько ИС вместо одной, приходится решать и больше проблем.

Кроме того, как отмечают представители Infineon, следует обращать внимание на энергоэффективность: в целях экономии энергии на работающем кристалле ИС должна быть возможность отключения одной, двух или трех зон.

Представители Массачусетского технологического института предлагают взглянуть на проблемы универсальных и специализированных ИС (ASIC) в более широких масштабах развития экосистемы. По всей видимости, наблюдается повторение истории развития специализированных микросхем или аппаратного оборудования в целом.

Так, например, процессоры цифровой обработки сигнала превратились в процессоры обработки речи или процессоры видеосистем, и они становятся все более универсальными. Наблюдаются волнообразные всплески инноваций в очень узких областях использования, а затем идет процесс универсализации. То же самое происходит сейчас с ИС ИИ, которые переходят от очень специализированных решений к более универсальным процессорам, способным решать широкий круг проблем.

Представители Xilinx считают, что одно из самых интересных изменений, которые мы наблюдаем сегодня в области вычислений, – ​переход от вертикального масштабирования к горизонтальному. Для многих подходов, используемых сегодня, требуются отдельные системы и серверы, зачастую с максимально возможной емкостью и производительностью. Однако всему есть предел. Дальнейший путь – ​это горизонтальное масштабирование, возможность производить гибкие вычисления в «облаке» и наращивать число используемых серверов при необходимости достижения большей емкости ресурсов. Этот подход требует непрерывного анализа создаваемых систем с точки зрения размера, и это проблема не только полупроводниковой, но и электронной промышленности в целом.

Как отмечают сотрудники ANSYS, 30 лет назад ведущие ученые-компьютерщики были сосредоточены в области САПР. Сегодня же многое в этой сфере так и осталось на уровне 1980-х гг., что влияет на успешность – ​или неуспешность – ​работы средств САПР в вычислительной среде. На передовом крае компьютерной науки за пределами индустрии моделирования САПР осуществляется множество важных инноваций, имеющих отношение к масштабированию вычислений. Но когда речь заходит о создании конкретной ИС, ограничением становится человеческий фактор. Системные принципы работы компаний входят в противоречие с работой отдельных сотрудников. У полупроводниковых фирм есть много возможностей добавить услуги, предоставляемые специализированными ИС, но эти возможности не безграничны. Если у компании есть всего один ведущий разработчик, возможности в области ИИ и машинного обу-чения применительно к САПР помогут повысить эффективность работы младших специалистов, и здесь открываются долгосрочные перспективы. Использование ИИ и машинного обучения в сочетании со средствами проектирования должно помогать выявлять возникающие проблемы и исправлять их.

Представители Infineon считают перспективным подход к вычислениям, заключающийся в упрощении вычислительных архитектур и их объединении в виде сочетания нескольких кристаллов ИС. Масштабирование становится первоочередной задачей, и отрасль нуждается в развитии методологии и инструментов САПР для реализации подобного подхода к масштабированию.

Современное проектирование ИС в гораздо большей степени связано с конкретными конечными применениями, чем раньше. В прошлом основное внимание при создании новых ИС уделялось соответствию наименьшим проектным нормам из возможных. Теперь на рынке появляется все больше новых продуктов, основанных на знании потребностей конкретной области деятельности.

Сотрудники Infineon говорят, что зачастую необходимо планировать на два шага вперед, чтобы получить 90% базовой функциональности, прежде чем она будет физически реализована в структурах ИС. Иными словами, растет важность предварительного моделирования. Спецификации всегда меняются в зависимости от требований конкретного клиента.

Представители Массачусетского технологического института занимались разработками ИС, готовых для внедрения в производство, в течение многих лет. Для них очевидно, что очень многое зависит от условий работы, от взаимодействия с окружающей обстановкой, от сферы конечного применения и т. д. Таким образом, правильно подобрать конструкцию ИС, которая будет отвечать всем требованиям при первом использовании, становится все сложнее. Современные методики проектирования помогают в этом, но решающее значение имеет изучение всех физических взаимодействий внутри кристалла ИС. Проектировщикам необходимо собирать все возможные данные, строить модели (в том числе физические), а также использовать все эти результаты в моделях машинного обучения. Необходимо как можно быстрее вносить изменения в конструкцию (если это возможно) но не пытаться решить все проблемы сразу.

Сотрудники ANSYS отмечают рост случаев повторной сборки ИС после исправления проблем. При этом в наиболее чувствительных областях обнаруживатся, что нельзя исправить то, что невозможно измерить. Отмечается также, что используемые методологии на основе допусков влияют на стоимость, и эти методологии весьма консервативны. В том, что касается параметров напряжения и синхронизации, осведомленность разработчиков выше, при этом тренд цены и объема (PVT), изменчивость процесса, изменчивость напряжения и температура могут быть смоделированы гораздо лучше. Сбои синхронизации напряжения реальны, но есть возможность улучшить ситуацию. Гораздо сложнее обстоят дела с электромагнитными явлениями на кристалле ИС. Теперь, когда существуют встраиваемые SERDES и процессоры цифровой обработки сигнала с высокой пропускной способностью, эффекты индуктивности на кристалле ИС становятся крайне разрушительными. Это огромная проблема для разработчиков – ​число повторных сборок растет, и с точки зрения представителей ANSYS, это связано с тем, что используются различные физические взаимодействия, которые необходимо как можно лучше моделировать.


Sperling Ed. Less Margin, More Respins, And New Markets. Semiconductor Engineering, October 10, 2019: https://semiengineering.com/less-margin-more-respins-and-new-markets/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.