我们有IC模型危机吗?

模型是集成电路设计的关键。没有它们，就不可能执行分析，这反过来又限制了优化。

这些优化尤其重要，因为半导体变得越来越异构，越来越个性化，而且它们被集成到更大的系统中，产生了对更高精度模型的需求，需要强大的计算能力来开发。但这些因素以及其他因素，使得作为芯片设计基础的行业标准模型难以跟上步伐。

模型是信息的封装和抽象，使得驱动工具成为可能。这些模型的准确性和保真度必须足够好，使结果值得信赖，但也必须足够简单，以便在合理的时间内完成分析。决定什么应该和不应该被纳入一个模型是铸造厂，学术界的核心EDA公司做的。

在过去，这是相对简单的。摩尔定律而且Dennard扩展保证每个新流程节点的功率和性能的改进，并在扩展的同时开发了标准化模型。但缩小功能的好处正在减少。在扩展继续进行的同时，越来越多地出现了各种其他选项，例如高级打包和特定于领域的体系结构。

在许多这样的设计中，曾经用于使用更简单的模型的裕度不再被接受。企业再也承受不起将这一安全边际水平摆在桌面上的代价。

此外，在较小的几何图形上，各种物理效应已经变得不可分割，这意味着必须同时考虑更多的因素。例如，时间与热有关，热与功率有关，功率受布局和活动的影响。所有这些都必须在制造可变性和设备随时间退化的背景下考虑。

计算能力的大幅提高使得分析复杂性的增加成为可能。这使得考虑更准确的模型，同时考虑更多的物理相互作用成为可能。最大的问题是，对这些新模型的需求超过了它们被开发和验证的速度，也大大超过了这些模型转化为整个行业一致的标准的速度。

把这场危机称为“典型危机”公平吗?的首席执行官西蒙•大卫曼表示:“总是会出现模式危机治之软件．“这是因为很难建立模型。你制作它们是因为你想在制作之前正常地探索一些东西，或者看看你无法用实物看到的东西。”

建立模型需要大量的数据。“我们通常比过去拥有更少的数据访问，”ibm人工智能和机器学习解决方案组副总裁托马斯·安德森(Thomas Andersen)说Synopsys对此．“随着每18个月出现一个新的技术节点，数据也在发生变化。利润无处不在，无论是在时间上还是在制造上。这允许您解释流程中的一些不准确之处，因为流的每个部分只能以特定的精度水平对事物进行建模。从理论上讲，一切都可以通过机器学习建模，完全由数据驱动。这可能会降低利润率，改善整体流程，但这需要每个人共同努力，从晶圆代工厂开始。”

降低利润率的愿望增加了压力。“客户总是试图推动动力性能区(PPA)和成本信封，”公司产品管理高级集团总监布兰登·鲍茨说Cadence设计系统．“要做到这一点，你需要一种更好的分析方法，无论是架构，还是用于功率测量的RTL模拟，直到最终的硅签名。从根本上说，这是人们试图分析他们以前没有注意到的领域。他们现在正试图用更准确的分析来替代，看看他们是否可以压缩他们的设计，获得更好的功率/性能/面积或更低的成本。模型处于最前沿。模型是至关重要的，更快的计算和更多的计算资源使设计人员能够进行以前无法进行的分析。模型是抽象分析的一种手段。”

新类型的计算和更强大的计算能力使新模型成为可能。“多线程、分布式分析、云上的分析——所有这些技术都可以为解决问题提供更多的计算能力，”Bautz补充道。“当你进行多物理分析时，你现在可以将包装层面的热效应与模具层面的性能联系起来。这些是10年前我们做不到的事情因为我们没有cpu来做这些事情。从根本上说，算法本身必须设计得很好，在运行时间和精度方面都是合理的，但与此同时，分布式系统和更多cpu的出现使得用户能够在这个问题上投入越来越多的计算。计算能力为这类分析开辟了道路。”

更多的联系
模型危机的核心是依赖性的增加。鲍茨说:“20年前，时机只是事后才想到的。“15到10年前，时机成为实施的关键。这需要将计时器整合到地点和路线系统中，并拥有真正的时间驱动布局，时间驱动优化。与此同时，还必须进行信号完整性分析。五年前，变化形式开始在整个等式中发挥作用。现在我们正在研究诸如热对延迟的影响，IR下降对延迟的影响，以及最近晶体管的老化影响——晶体管随着时间的推移如何表现，以及最终如何影响时间。”

行业通常使用分层模型，从香料以及流程模型。从这些模型中，可以创建时序模型和更高级别的模型。这一直涉及到软件。但是模型越抽象，精确度就越低。你不能用不合适的模型进行有用的分析。然而，直到最近，还不可能为某些类型的分析保留足够的细节。

每一层都是抽象之前的水平。Bautz说:“大部分数据都可以被整合到时序模型中，但你必须有晶体管模型来制定时序模型的某些方面。”“例如，我的晶体管如何随着温度的变化而变化?我的晶体管是如何随电压变化的?我的晶体管如何随时间变化?这一切都可以追溯到过程模型，晶体管模型，SPICE模型，这些模型构成了时序模型的基础。这只是时间上的一步，但分析本身以及对你的设计的最终影响都来自于时间层面。”

每当必须创建不直接绑定到较低模型的模型时，就会出现问题。Synopsys SoC Power Continuum的团队总监Jay Roy说:“今天，我们有非常明确的接口，这些接口来自于自由格式的代工厂。”“对于任何新工艺，他们将为每个电池创建Liberty数据，这些数据将在时间、面积和功率方面有很好的特征。虽然在单元级别和基本门级别都有模型可用，但没有适合CPU级别的模型。如果我想在两个处理器之间进行比较，就必须创建功率模型。它们需要对时钟频率、实现时钟的底层技术以及通过时钟的数据速率敏感。需要对多个轴进行描述，并且模型需要对这些轴进行敏感化。这类模型没有行业标准。在内部，人们可能有自己的方法，但没有工具可以用来自动化或进行适当的分析。”

更复杂的是，需要在模型中捕获系统不同部分之间的交互。“在设计产品之前，我们必须根据各个部件建立模型，如果这些模型能相互配合，如果我们有机会看到这些部件的模型是否能协同工作，那么我们就可以确定系统本身在以后也能正常工作，”特朗普设计方法部门主管罗兰·扬克(Roland janke)说弗劳恩霍夫IIS的自适应系统工程部。“多年来，我们一直专注于系统各个部分的建模，并为这些模型提供通用接口。开发这些模型有一些外部标准，比如功能模型界面，这样我们就有了单个部件的模型，而不是单个部件本身。”

janke表示，这种方法已经应用于汽车芯片设计。“通用接口可能不能反映系统建模的最佳方式，但一旦有可能将这些不同的模型粘合在一起，你就会收获很多。”

延伸到软件
这些问题一直延伸到软件领域。Imperas的Davidmann说:“当你在做软件的时间分析时，很难做到正确，因为你要担心微架构。“您还必须考虑缓存、内存层次结构和争用。如果你想考虑权力，你需要所有这些，甚至更多。权力增加了另一个层次的复杂性。您可以用相对简单的模拟来近似计时。当您将其编译为门时，大型EDA供应商将提供详细的时间。权力是类似的，但要求你更深入——这使分析复杂化。最终结果是，预测软件的威力影响是极其困难的。”

对于软件来说，这些模型除了功能和性能之外，还有待进一步扩展。Synopsys的Roy说:“当人们编写软件时，中间会有一个编译器。编译器正在读取你的源代码，并创建在硬件平台上执行的程序集级指令。到目前为止，编译器已经调整为优化运行软件的速度。他们可以查看两种可能的汇编指令序列，并查看每种指令的总运行时。编译器不理解的是这些指令序列的功率或能量分布。这是编译器没有的信息。编译器可用的硬件模型有周期信息，甚至可能有定时信息，但没有电源信息。在编译器变得智能以进行优化之前，需要对功能进行建模。一旦发生这种情况，编译器就可以给软件工程师一些指令，以编写更好的代码，但我们还没有做到这一点。 For us to get there, we have to we have to cross the bridge of creating the power models.”

我们正一点点靠近。“当人们在设计处理器时，他们需要一个模型作为规范的参考ISA大卫曼说。“通常情况下，这是私有的。但说到RISC-V，它其实并不存在。我们有一种建模技术，并进入了黄金参考领域，在这个领域中，人们想要一个高质量的、可配置的规范模型，以便在测试RTL时作为参考。它允许他们在硬件验证和软件开发环境中使用相同的模型。我们的模型可以做时序分析和功率分析，如果你注释它们。如果你把正确的数据放在那里，你就可以得到估计，这将对架构师有所帮助。这些模型可用于体系结构框架中，以测试整个系统的性能。模型的需求正在发生变化。这个行业正在走向一个越来越多的人正在设计自己的处理器的空间。 That means they need new models to help them do that efficiently.”

产业融合
电力和热力是相对较新的物理效应，业界正试图建立模型。“业内很多人对热问题仍然很幼稚，”特朗普的产品营销总监马克•斯温宁(Marc Swinnen)表示有限元分析软件．“芯片通常被简单地建模为整个芯片的特定温度，但事实并非如此。你需要一个更详细的模型。例如，我们有一个芯片热模型，其中晶片基本上被分成10微米乘10微米的正方形，我们有一个表，说明功率是如何作为温度的函数。功率取决于温度，而温度取决于功率。我们用一个表来让你测量，在系统层面上，你的芯片的温度是多少，它会告诉你那个方块消耗的能量，这当然会反馈到温度梯度是多少。你可以收敛到一个一致的解决方案，其中功率输出与温度匹配。”

整个行业还没有为此建立一个模型，因此这些类型的解决方案仍然是专有的。

标准有助于行业的整合。Bautz说:“行业标准化非常重要，特别是涉及到工具内的输入抵押品时。自由技术咨询委员会(LTAB)帮助管理这些模型。但他们并不总是跟上步伐，在批准对计时模型标准的重大更改方面，这个过程可能是缓慢的。这意味着各个EDA供应商必须创建自己的格式来说明特定的功能。随着时间的推移，它可能会成为整个行业的标准化。”

标准很难跟上。Bautz继续说道:“这就需要EDA供应商内部的创新来制定专有标准。随着时间的推移，这些专有标准可能会重新成为行业标准，这对每个人都有利。关于定时库的一个很好的例子是所谓的自由变化格式(LVF)。Synopsys有自己的格式，在Cadence，我们也有自己的格式很多年了。这里的关键词是“年”。他说，这个行业的变化速度比年快，标准也往往会随着时间而变化。它们分开了很多年，最终合并成为行业标准的LVF格式。”

结论
虽然行业受益于标准模型，但它们需要时间和精力来开发。今天，对模型的要求变化得比流程所能适应的要快，这就需要创建专有模型。在某种程度上，这种情况一直存在，因为EDA公司必须在行业准备采用它们之前创建和验证模型。

不同的是，在某些领域，标准远远落后，在某些情况下，甚至没有制定标准的压力。随着行业寻找新的领域来消除浪费的性能或功率，重要性将会增长，新的专有模型将会被创建出来。如果这些模型不能直接绑定到已经存在的模型层次结构，那么创建这些模型的成本可能会令人望而却步，这将减缓它们的吸收。