行業(yè)應(yīng)用方案 | 高性能IC設(shè)計

Ansys 行業(yè)應(yīng)用方案連載（6） | 高性能IC設(shè)計

最近幾年隨著人工智能芯片在中國雨后春筍般的蓬勃發(fā)展，人工智能芯片以其設(shè)計規(guī)模、設(shè)計復(fù)雜度和先進(jìn)設(shè)計方式引領(lǐng)數(shù)字芯片設(shè)計行業(yè)。特別是3D IC的采用，使得人工智能芯片的性能功耗比又上了一個臺階。但采用最先進(jìn)的設(shè)計方法進(jìn)行復(fù)雜的芯片設(shè)計也往往伴隨著諸多挑戰(zhàn)。

人工智能芯片的一個重要設(shè)計指標(biāo)是用TOPS（Tera Operations Per Second）Per Watt來衡量。人工智能芯片設(shè)計為了追求高能效比，在設(shè)計上除了會采用最先進(jìn)的芯片制造制程，一般也會采用比較先進(jìn)的芯片設(shè)計架構(gòu)，比如最近幾年被高性能芯片設(shè)計廣泛采用的3D IC設(shè)計。雖然3D IC設(shè)計目前還有很多挑戰(zhàn)，但其設(shè)計相對傳統(tǒng)的芯片封裝來說，芯片規(guī)模更大（支持3000以上pin腳），信號通道更短，支持HBM（High Bandwidth Memory）等，因此對芯片性能的提升是比較顯著的。

在芯片制程開發(fā)難度不斷加大和迫近制程極限的情況下，針對這種典型的人工智能芯片，會面臨如下挑戰(zhàn)。首先是功耗噪聲。人工智能芯片一般功耗都比較大，在相同算力情況下，如果功耗小，無疑會更受市場青睞。如何在芯片設(shè)計階段降低功耗是AI芯片設(shè)計的一大挑戰(zhàn)。另一方面，AI推理或訓(xùn)練芯片要求芯片能從功耗很低的休眠狀態(tài)（sleep mode）以極快的速度切換到功耗很高的全速處理狀態(tài)（operation mode），因此電源供電必須能提供這種瞬態(tài)切換所需要的大電流，不能出現(xiàn)供電過沖（overshoot）或塌陷(undershoot)而造成的電壓劇烈抖動。為防止這種情況的出現(xiàn)僅僅依靠芯片內(nèi)部的電容是不足夠的，還必須審慎選擇interposer、封裝和PCB板上的去耦電容，以協(xié)同設(shè)計的方式來保證供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）滿足瞬態(tài)電流消耗需求。

其次是HBM設(shè)計的挑戰(zhàn)。HBM相對于傳統(tǒng)DDRx設(shè)計來說有更高的帶寬和功耗效率，時延很低，占用面積小的特點(diǎn)。如果采用相似的帶寬和存儲大小的情況下，GDDR6的PCB占用面積是HBM2的6倍，功耗消耗多3倍，芯片設(shè)計面積接近2倍，HBM的優(yōu)勢比較明顯。但是HBM設(shè)計實(shí)施卻很困難，除了滿足嚴(yán)苛的interposer設(shè)計規(guī)則及信號完整性規(guī)則外，還必須考慮高位寬（1024 bits或2048 bits）同步開關(guān)噪聲問題。技術(shù)的發(fā)展趨勢要求我們重新審視集成電路設(shè)計與驗證的方法學(xué)。

Ansys eco-platform提供了從前端到后端、模擬到數(shù)字、芯片到系統(tǒng)的功耗、高速數(shù)據(jù)傳輸和可靠性解決方案。通過Ansys eco-platform提供的解決方案可以極大地幫助設(shè)計者優(yōu)化設(shè)計性能，降低成本，縮短設(shè)計周期和減少設(shè)計者工作量，從而確保具有最新技術(shù)和創(chuàng)意的產(chǎn)品及時上市并占領(lǐng)市場，保護(hù)設(shè)計企業(yè)的利益。

Ansys解決方案

針對上述人工智能芯片在功耗、噪聲及可靠性方面的挑戰(zhàn)，采取有效的應(yīng)對方法可以幫助設(shè)計者規(guī)避潛在的設(shè)計風(fēng)險。Ansys可提供業(yè)界最全面的功耗、電源完整性、信號完整性及可靠性仿真解決方案。主要涵蓋如下場景：

01

RTL級功耗分析及優(yōu)化

PowerArtist集成了先進(jìn)的功耗分析方法和自動的功耗優(yōu)化技術(shù)，可以順利實(shí)現(xiàn)功耗收斂，可有效地優(yōu)化60% 甚至更高的冗余功耗。

• RTL級功耗計算

• RTL級功耗debug

• RTL級功耗優(yōu)化

• RTL級長時間功耗波形曲線掃描power profile

02

高性能AI芯片的電源及可靠性核簽分析

RedHawk-SC基于Seascape大數(shù)據(jù)分析平臺，可以幫助客戶順利實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高性能AI IC設(shè)計功耗、噪聲及可靠性簽核分析。

• 靜態(tài)壓降簽核分析

• 動態(tài)壓降簽核分析

• 芯片-封裝協(xié)同簽核分析

• 電遷移（EM）簽核分析

03

高速接口分析

CSM、CPM結(jié)合HFSS和SIwave提供全面的HBM及Serdes高速接口信號和電源完整性分析。

• HBM接口信號完整性分析

• HBM CPS電源完整性分析

• HBM SSN分析

• 高速Serdes信號完整性分析

04

3D IC熱及可靠性分析

3D IC熱及結(jié)構(gòu)可靠性分析。RedHawk-SC-Electrothermal結(jié)合Icepak及Ansys Mechanical 可以準(zhǔn)確的幫助客戶仿真3D IC散熱及熱應(yīng)力帶來的挑戰(zhàn)。

• 3D IC散熱分析

• 3D IC電熱耦合分析

• 考慮熱效應(yīng)的芯片EM簽核分析

• 3D IC熱應(yīng)力分析

Ansys是業(yè)界唯一一家可以提供針對高性能IC設(shè)計功耗、噪聲及可靠性仿真的多物理場仿真方案提供商

高性能集成電路設(shè)計的挑戰(zhàn)，要求設(shè)計者的觀念從對芯片、封裝和電路板孤立地分析向更加系統(tǒng)化全面分析的多物理場（Multi-physics）解決方案轉(zhuǎn)變。例如，針對低功耗、高性能以及更嚴(yán)格設(shè)計規(guī)范的要求，將芯片、封裝和系統(tǒng)(CPS)作為統(tǒng)一的相互影響的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，這對于保證電路整體系統(tǒng)正常工作十分重要。Ansys是業(yè)界唯一一家可以全面提供芯片設(shè)計前端到后端、模擬設(shè)計到數(shù)字設(shè)計、芯片級設(shè)計到系統(tǒng)設(shè)計的功耗、噪聲、時序及可靠性等分析解決方案的EDA廠商。當(dāng)前，在半導(dǎo)體設(shè)計領(lǐng)域排名Top20的公司，都已采用Ansys產(chǎn)品。Ansys的芯片電源噪聲及可靠性解決方案已幫助客戶完成萬次以上的芯片流片成功。