開(kāi)發(fā)復(fù)雜芯片時(shí)，無(wú)論是單片SoC還是Multi-Die系統(tǒng)，都需要克服更大的工藝、電壓和溫度（PVT）挑戰(zhàn)，尤其是在采用先進(jìn)節(jié)點(diǎn)時(shí)。為了提高性能和可靠性，片內(nèi)PVT監(jiān)控器已成為這些芯片中必不可少的“耳目”。

新思科技一直走在芯片監(jiān)控解決方案的前沿，而這些解決方案是新思科技芯片生命周期管理（SLM）系列的一部分。最近，新思科技在臺(tái)積公司N5和N3E工藝上完成了PVT監(jiān)控IP測(cè)試芯片的流片。這是一個(gè)里程碑式的成功。從此，那些準(zhǔn)備在這些先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)者都可以從中受益。臺(tái)積公司N3E工藝擴(kuò)展了代工廠的3nm工藝家族，帶來(lái)了更優(yōu)的功耗、性能和產(chǎn)量，非常適合人工智能、高性能計(jì)算和移動(dòng)通訊等應(yīng)用中常見(jiàn)的計(jì)算密集型工作負(fù)載。臺(tái)積公司N5工藝基于FinFET技術(shù)，與N7工藝相比，其速度提高約20%，功耗降低約40%。

新思科技SLM PVT監(jiān)控IP目前已被全球140多家客戶所采用，實(shí)現(xiàn)了600多項(xiàng)設(shè)計(jì)，可用于28nm至3nm工藝。IP本質(zhì)上對(duì)工藝和制造技術(shù)很敏感，因此實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)證的芯片性能是與芯片制造商建立信任的重要一環(huán)。經(jīng)驗(yàn)證的IP可以縮短設(shè)計(jì)周期和節(jié)省成本。本文將進(jìn)一步介紹監(jiān)控IP如何助力提高芯片性能。

通過(guò)監(jiān)控內(nèi)部情況優(yōu)化芯片健康狀況

晶體管密度的增大、Multi-Die系統(tǒng)的出現(xiàn)以及對(duì)于突破芯片性能邊界的追求等，都要求在整個(gè)芯片生命周期（從設(shè)計(jì)階段到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用階段）中監(jiān)控PVT參數(shù)。此類(lèi)監(jiān)控的輸出結(jié)果可帶來(lái)深入的見(jiàn)解，從而激勵(lì)芯片開(kāi)發(fā)者采取行動(dòng)來(lái)優(yōu)化芯片健康狀況，因而PVT監(jiān)控對(duì)于先進(jìn)節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體器件（例如具有FinFET和全環(huán)繞柵極（GAA）晶體管的器件）實(shí)現(xiàn)可靠操作和出色性能至關(guān)重要。

片內(nèi)PVT子系統(tǒng)解決方案由多個(gè)片內(nèi)監(jiān)控器組成，這些監(jiān)控器分別用于工藝檢測(cè)、電壓監(jiān)控和溫度傳感。通過(guò)嵌入式監(jiān)控IP可以了解所有這些方面的情況。PVT監(jiān)控器的數(shù)據(jù)會(huì)輸入中央管理中心（PVT控制器），并可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行訪問(wèn)。中央管理中心可根據(jù)客戶不同的應(yīng)用進(jìn)行不同的配置，并集成到芯片的設(shè)計(jì)流程和架構(gòu)中。

PVT監(jiān)控是SLM的一個(gè)重要組成部分，其作用在半導(dǎo)體領(lǐng)域正變得越來(lái)越突出。Multi-Die系統(tǒng)中的裸片采用異構(gòu)集成方式，這使廠商更加關(guān)注芯片的互連方式，也更加重視如何確保一個(gè)裸片的電壓不會(huì)影響到封裝內(nèi)與之相鄰的其他裸片。此外，監(jiān)控對(duì)于單片SoC也很重要，尤其是在較小的工藝節(jié)點(diǎn)中，監(jiān)控器可以標(biāo)記互連中的IR壓降等問(wèn)題。

如今的芯片制造遭遇到了眾多挑戰(zhàn)，其中包括：

• 多熱點(diǎn)
  

• 壓降
  

• 制成變異性

• 工作負(fù)載難以預(yù)測(cè)

• 供電不確定（太多或不足）

工藝檢測(cè)器可以協(xié)助評(píng)估和監(jiān)控芯片的速度，不管是從一個(gè)裸片到另一個(gè)裸片的速度，還是跨越大裸片時(shí)的速度。所收集的數(shù)據(jù)將有助于深入了解芯片老化，并可用于電壓/時(shí)序分析、動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整優(yōu)化以及速度分組。電壓監(jiān)控器可測(cè)量多域電源電壓和/或IR壓降，以驗(yàn)證和優(yōu)化器件的功耗分布網(wǎng)絡(luò)，尤其是當(dāng)器件面臨任務(wù)模式工作負(fù)載的壓力時(shí)。溫度傳感器能夠嚴(yán)格控制器件的熱活動(dòng)。

經(jīng)過(guò)質(zhì)量認(rèn)證的芯片IP

新思科技SLM PVT監(jiān)控IP可用于多種用途，包括實(shí)時(shí)熱譜圖、能量/功耗優(yōu)化以及用于性能增強(qiáng)的芯片評(píng)估等。此外，該IP還通過(guò)了TSMC9000計(jì)劃的認(rèn)證，后者為臺(tái)積公司IP聯(lián)盟計(jì)劃（臺(tái)積公司開(kāi)放創(chuàng)新平臺(tái)（OIP）的一個(gè)關(guān)鍵部分）的成員定義了一套精簡(jiǎn)版的IP質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。隨著臺(tái)積公司N5和N3E工藝的成功流片，新思科技將能夠與客戶一起分享有用的流片后特征分析報(bào)告。

下面一個(gè)例子可以體現(xiàn)出SLM PVT監(jiān)控IP的工作方式。比如在AI用例中，由于工作負(fù)載很多，該芯片面臨著嚴(yán)峻的熱挑戰(zhàn)，其功耗分布和IR壓降均非常高。高功耗反過(guò)來(lái)又限制了性能，增加了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和碳排放。SLM PVT監(jiān)控IP可以提高該AI芯片的多核利用率，通過(guò)將監(jiān)控器放置在熱點(diǎn)附近，并憑借優(yōu)化的性能功耗比和保持關(guān)鍵邏輯運(yùn)算的算力供應(yīng)裕量，更好地管理熱不可預(yù)測(cè)性。

再來(lái)看一個(gè)由采用不同制程節(jié)點(diǎn)的裸片組成的Multi-Die系統(tǒng)。在這方面，制程變異性產(chǎn)生了影響，熱問(wèn)題也是如此。片上監(jiān)控能夠指示哪些裸片在變熱并提供實(shí)際溫度。這樣一來(lái)，開(kāi)發(fā)者便可以采取有意義的行動(dòng)，例如降低電壓、減慢時(shí)鐘速度，甚至讓某個(gè)區(qū)域休眠一段時(shí)間。

更完整的新思科技SLM系列產(chǎn)品則可解決多方面的挑戰(zhàn)，包括規(guī)模和系統(tǒng)復(fù)雜性、不斷演變的封裝技術(shù)，以及不斷增加的工作負(fù)載等。這些產(chǎn)品建立在充分的片內(nèi)可觀察性、分析和集成自動(dòng)化的基礎(chǔ)之上。為了在器件生命周期的每個(gè)階段改善芯片健康狀況和運(yùn)行指標(biāo)，這些產(chǎn)品會(huì)收集有意義的數(shù)據(jù)，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)再到測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)操作，提供連續(xù)分析和具有可行性的反饋。

在設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之間形成閉環(huán)

芯片制造商再也不能對(duì)芯片內(nèi)部的情況一無(wú)所知。片內(nèi)可見(jiàn)性和洞察都是關(guān)鍵的工具，有助于優(yōu)化半導(dǎo)體生命周期的每個(gè)階段，并最終優(yōu)化芯片質(zhì)量。PVT監(jiān)控加上全方位的SLM技術(shù)為開(kāi)發(fā)者提供了一種準(zhǔn)確高效的方式來(lái)了解芯片的內(nèi)部和外部狀況。