Усложнение проектирования аппаратного обеспечения

Усложнение проектирования аппаратного обеспечения

Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Растущая сложность проектирования аппаратного обеспечения распространяется на смежные области, включая ПО, производство и новые материалы. Это создает новые проблемы моделирования, связанные с увеличением объемов данных на нескольких уровнях абстракции. Возникают проблемы, связанные с тем, какой уровень абстракции использовать для конкретного этапа проектирования, когда его использовать и какие данные включать.

Проектные решения становятся все более сложными на каждом новом технологическом уровне1 (по мере уменьшения топологических норм). Это обусловлено тем, что существует тенденция интеграции все большего числа ядер, кристаллов, СФ-блоков2 и других «строительных блоков» в более крупные системы. Кроме того, в самом процессе проектирования все большее число его этапов смещаются как к начальным, так и к завершающим стадиям данного процесса.

При проектировании электронных устройств наиболее подходящим средством проектирования на уровне транзисторов является SPICE3, среда моделирования, возможности которой могут расширяться до сложности базовых логических строительных блоков. Но для проектирования «систем-на-кристалле» (SoC), которые могут содержать миллиарды транзисторов, требуются более высокие уровни абстракции. Например, существует граница уровня вентилей, составляющих проектирования на уровне регистровых передач (RTL) более сложных структур – ​процессоров и т. п.

Создание модели исполняемого набора команд, которая работает как для аппаратных, так и для программных команд, имеет решающее значение для вывода проектного решения на рынок. Используя золотую эталонную модель с методологией пошагового сравнения, верификацию можно выполнить на границе команд и сконфигурировать модель исполняемого набора команд на тестовом стенде UVM SystemVerilog (предназначенном для асинхронных событий и отладки). Но осуществить это также становится все труднее.

Модель исполняемого набора команд становится динамическим эталоном и может стать сердцем моделирования всей системы в качестве виртуальной платформы или виртуального прототипа. По мере того как многоядерные проекты (содержащие сотни или тысячи ядер) становятся главным направлением развития, возникающие проблемы могут быть решены в рамках поиска идеального баланса между абстракцией и точностью по сравнению с емкостью. Это ключевое требование для моделирования. Но какой уровень моделирования является наиболее полезным ориентиром для проектировщиков? С помощью технологии моделирования можно смоделировать полный проект с точными моделями для представления программистом всей системы. В случае приложений искусственного интеллекта (ИИ) или машинного обучения (МО), разработанных в облачных средах, уже выполнен большой объем анализа и настройки. Сегодня совместное проектирование аппаратного и программного обеспечения становится все более программно-управляемым анализом аппаратных структур, с полным моделированием больших наборов данных и реальных ситуаций.

Решению возникающих и усложняющихся проблем может помочь разбиение процесса проектирования на более управляемые части (этапы). Главное – ​знать, что и когда нужно разделить. Конфигурация матрицы процессоров в качестве аппаратного ускорителя ИИ/МО может быть разбита на высокоуровневое проектирование и проектирование основных подсистем. Часто ключевые алгоритмы будут разделены на обрабатывающие элементы (процессорные узлы), например, с двумя-пятью ядрами процессора плюс аппаратные блоки, такие как векторные расширения RISC–V (RISC–V Vector Extensions) или Arm SVE2. В свою очередь, этот элемент обработки будет воспроизведен в проектном решении от десятков до тысяч раз. Виртуальная платформа обеспечивает абстракцию, необходимую для анализа и разработки компромиссов первого уровня. Это приводит к созданию эталонной модели проверки для отдельных ядер RISC–V, а также полной модели SoC для разработки программного обеспечения. Как и в случае границы уровня вентилей в предыдущих абстракциях, граница уровня точности команд объединяет группы разработчиков аппаратного обеспечения и ПО. Кроме того, эта граница является естественной основой для следующих уровней абстракций в эпоху гетерогенных многоядерных вычислительных платформ ИИ и МО, т. е. эпоху «после Закона Мура».

Все это не ограничивается одним кристаллом. Рассмотрим проектирование 5G беспроводных систем для технологии подключаемых (к сетям) автомобилей, радиолокационных и полупроводниковых технологий. Эти системы развиваются в направлении использования более высоких частот, что приводит к соответствующему увеличению плотности расположения в модуле различных компонентов и ужесточению требований к корпусу/модулю.

Проектировщикам приходится все в большей степени сосредотачиваться на физических аспектах, а именно на электромагнитных явлениях, вызванных большей связью между различными частями схемы, а также на тепловых проблемах, связанных с плотностью размещения компонентов. При этом надо учитывать, что электромагнитный анализ, например жестко-гибких печатных плат, всегда был проблематичен из-за сложности 3D конструкций (рис. 1).



Источник: Cadence

Рисунок 1. 3D моделирование жёстко-гибкой печатной платы (печатной платы с жёсткими и гибкими секциями).


Электрические характеристики подобных систем часто ухудшаются по мере увеличения быстродействия ИС и увеличения плотности расположения элементов, что делает моделирование электромагнитных явлений критически важным для возможности могли моделирования и контроля проблем с целостностью сигнала, питания и теплостойкостью в системе. По мере того как различные компоненты системы взаимодействуют друг с другом, размер проблем увеличивается, и моделирующие программы должны быть в состоянии идти в ногу с этим, справляться с более крупными и сложными проектными решениями. Это в последнее время привело к смещению акцентов на параллельное распределение работ и росту интереса к облачным вычислениям «.

Это означает, что программа моделирования электромагнитных явлений должна быть способна работать с большими системами, использующими несколько технологий, таких как метод перевернутого кристалла с использованием интерпозера4. Тепловое моделирование также имеет решающее значение для таких систем. Увеличение быстродействия ИС и плотности расположения компонентов требуют, чтобы дополнительное тепло, генерируемое активной схемой, эффективно рассеивалось через систему, что, например, создает проблему для проектировщика корпуса/модуля (рис. 2).



Источник: Cadence

Рисунок 2. Сложность термоанализа увеличивается при учете связанных с ним электрических и тепловых явлений


По мере роста потребности в моделировании физических проблем, таких как электромагнитные явления и рассеивание тепла, возрастают требования к ПО инструментальных средств САПР – ​оно должно отвечать задачам, связанным с необходимостью совершенствования программ моделирования. Также требуется дружественная пользователю среда проектирования, обеспечивающая эффективный сквозной рабочий процесс взаимодействия. Это позволяет разработчикам эффективно переключаться между различными инструментами моделирования и средами, а также обмениваться результатами с другими группами разработчиков с целью создания высокопроизводительных электронных систем, способных достичь успеха на конечном рынке.


Перекрывающиеся проблемы

Оптимизация средств проектирования аппаратного обеспечения с целью обеспечения должной работы в течение всего срока службы по-прежнему требует решения ряда сложных задач и проблем.

При уменьшении геометрических размеров проверка соблюдения проектных норм (Design Rules Checking, DRC) может выполняться на локальном уровне, например, на уровне транзисторов или стандартных ячеек. В этом случае на верификацию требуется больше времени, но с этим можно справиться классическим способом – ​с помощью расширений DRC-правил в инструментальных средствах. Но на новейших технологических уровнях глобальной проблемой становится проблема питания/заземления.

С каждым новым технологическим уровнем (при уменьшении проектных норм) напряжение питания снижается. Это, в свою очередь, уменьшает запас для перепадов напряжения. Потребление энергии в месте «А» может означать, что подача напряжения в место «В» находится в другом положении, чем в месте «А». Это глобальный эффект, требующий большого внимания на новейших технологических уровнях. Также требуется дополнительная поддержка на уровне инструментальных средств проектирования, начиная с анализа используемой мощности на стандартную ячейку или область, и заканчивая моделированием всей энергосистемы с извлеченными паразитными явлениями.

Продолжение следует…

Ann Steffora Mutschler. Modeling Chips From Atoms To Systems. Semiconductor Engineering, August 26th, 2021 https://semiengineering.com/modeling-chips-from-atoms-to-systems/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

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