Усложнение проектирования аппаратного обеспечения

Усложнение проектирования аппаратного обеспечения

Выпуск 19(6743) от 30 сентября 2021 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

В прошлом выпуске была размещена первая часть статьи, посвященной растущей сложности проектирования аппаратного обеспечения. Это создает новые проблемы моделирования, связанные с увеличением объемов данных на нескольких уровнях абстракции. В этом номере публикация статьи завершается.


Моделирование в атомарном масштабе

Масштабирование минимальных размеров топологических элементов и усложнение конструкций ИС также стирают грань между проектированием и производством. В результате группам разработчиков теперь необходимо учитывать влияние различных материалов и конструкций, что настойчиво подталкивает их к тем же видам моделирования на атомарном уровне, с которыми специалисты кремниевых заводов и исследователи в области материаловедения имели дело около 10 лет.

Примерно пять-семь лет назад, когда многие полупроводниковые компании начали более пристально изучать перспективные материалы и начали заниматься инновациями в области материалов и материаловедения, специалисты корпорации Synopsys начали искать соответствующие пути совершенствования проектирования аппаратного обеспечения. Именно здесь вступает в игру такой подход, как моделирование на атомарном уровне. Его можно использовать для выработки свой-ств и характеристик материала, которые могут быть использованы в TCAD с тем, чтобы группы разработчиков могли либо разрабатывать новые модели, либо калибровать существующие модели для новых материалов.

Идея в том, что разработчики перешли от атомного масштаба к уровню прибора, а затем к уровню ячейки. TCAD обычно представляет собой пару характеристик транзисторов, но когда процесс расширяется до сооптимизации технологии проектирования (design technology co-optimization, DTCO), полагаться только на один транзистор больше нельзя. Пытаясь понять характеристики на уровне ячеек, чтобы увидеть влияние на технологию, на проектирование и наоборот, специалисты Synopsys начали с ячеек СОЗУ, затем перешли к триггерам и устройствам ввода/вывода. Теперь они переходят на уровень блоков, что означает возможность подключиться к размещению (компонентов) и трассировке (проводников, соединений), к проектированию с использованием различных библиотек и т. д. Моделирование в атомарном масштабе – ​это ключ к тому, чтобы помочь группам разработчиков изучить новые возможности и новые материалы.

Масштабирование также добавляет некоторые необычные препятствия. При масштабировании всех измерений и толщины слоев внезапно меняется множество параметров материала. Кристаллическая объемная ячейка имеет свои собственные свой-ства, и подключить их можно вплоть до уровня блока или уровня SPICE. Но затем ячейка становится настолько маленькой, что взаимодействия слоев изменяют поведение материала. Таким образом, масштабирование фактически изменяет свой-ства материала, и это нужно зафиксировать.

Это также создает потребность в различных материалах. В межсоединениях требуются материалы как с более высокой, так и с более низкой диэлектрической проницаемостью. Разработчикам необходимо понять, почему очень тонкие провода начинают демонстрировать высокое сопротивление. При масштабировании затворов требуется много усилий, чтобы достичь понимания необходимых физических параметров, а затем применить его ко всему процессу. Это один из очень важных аспектов моделирования в атомарном масштабе, помимо возможности фактически продвигать НИОКР в область приборов следующего уровня.

Традиционно группы специалистов, занимающихся TCAD, включались в процесс проектирования ближе к завершающим этапам. Сейчас это меняется, что, в свою очередь, влияет на то, какие группы взаимодействуют с данными и когда это происходит.

Еще одна проблема, возникающая при масштабировании, – ​ошибка установки угла кристалла в заданное положение (edge placement error, EPE), которая раньше редко беспокоила группы разработчиков. Но по мере того, как допуски ужесточаются, а границы рабочего режима сужаются, такого рода проблемы перемещаются гораздо ближе к начальным этапам проектирования, а применение инструментальных средств расширяется еще дальше по направлению к завершающим этапам проектирования. Кроме того, разрабатываемые модели должны быть более точными из-за ужесточения допусков.

То, что могло быть приемлемым двумя технологическими уровнями11 ранее, больше неприемлемо, и модели должны соответствовать постоянно развивающимся спецификациям. В частности, в процессе литографии каждые несколько технологических уровней специалистам приходилось уделять много внимания этапам технологического процесса, связанным с резистом, который, вероятно, является самым важным компонентом процесса литографии с точки зрения моделирования. Затем, когда появятся новые достижения в реальных инструментальных средствах литографии, нужно будет включить эти изменения в систему литографии. Переход на EUV‑литографию и последующий переход на EUV-литографию с высокой числовой апертурой (NA) олицетворяют существенные отклонения от традиционного моделирования оптической литографии. Существуют новые эффекты, которые необходимо учитывать в тех моделях, которые не были столь важны в рамках предшествующих систем литографии.

Специалисты отмечают, что на уровне проектных норм порядка 2 нм существуют два важных движущих фактора – ​моделирование травления (рис. 3) и криволинейная коррекция эффекта оптической близости (OPC). После завершения процесса литографии это переносится это в нижележащую пленку, а у нее есть собственные эффекты близости, которые необходимо учитывать. Другой новой проблемой 2‑нм технологического уровня является криволинейная OPC. Переход к ней – ​значительный отход от моделирования Манхэттенских форм. Теперь необходимо моделировать все угловые формы, поэтому приходится переосмысливать модель 3D-шаблона (маски), которая используется при имитационном моделировании процесса литографии с тем, чтобы обеспечить возможность обрабатывать все новые угловые формы. Здесь существуют два аспекта. Один из -них-точность. Другой – ​время выполнения. Когда охватываются все угловые формы, число кромок в заданной конструкции увеличивается на порядок. Операции, которые раньше исполнялись быстро и не нуждались в особом внимании, теперь требуют переосмысления – ​потому что они стали выполняться слишком медленно. Поэтому много усилий затрачивается как на точность, так и на временные аспекты криволинейных масок.


Заключение

Традиционные разграничительные линии в процессе проектирования размываются, что делает все более трудными задачи сбалансирования различных факторов и оптимизации конструкций. Первая задача разработчика – ​убедиться в правильности выбора физических аспектов. Речь идет об истинной связи, позволяющей осуществлять разномасштабное моделирование при минимальном времени реализации. Ускорению процессов проектирования существенно помогает внедрение методов и возможностей машинного обучения. Требуется более точное определение уровней абстракции и возможностей переходов между ними.

Когда дело доходит до ускорения разномасштабного моделирования, речь идет не только об определении параметров физической модели. Требуется найти способы абстрагирования модели начиная с атомарного масштаба, с переходом к физической модели машинного обучения и далее. Затем наступает время попыток масштабирования и ускорения разномасштабного построения, с целью получения как можно большего объема достоверных физических данных – ​прежде чем разрабатывать полную новую модель на одном из этих уровней.

Чтобы усложнить ситуацию, модели должны масштабироваться от атомарного до системного уровня, и они должны работать в технологическом процессе проектирования, который включает как аппаратное, так и программное обеспечение, и даже в производстве. Все это те вопросы, которые должны ставить перед собой группы разработчиков SoC при принятии решений о кардинальных изменениях своих проектов.


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.