工艺角爆炸

从温度、电压到金属的变化，需要检查的角的数量在7纳米及以下激增。

在这些节点上降低风险并增加SoC的可预测性，首先要了解在特定代工工艺上制造设计时会发生什么，并在工艺角落捕获。这基本上是一种模拟硅中实际出现的东西的方法，它为设计团队提供指导。但这一指导方针正变得越来越难以遵循。

“晶圆代工厂并不生产晶体管或芯片的精确复制品，”João Geada说有限元分析软件．“这不是一个精确的过程。有一些随机的可变性。在某种程度上，从工程的角度来看，这是很难处理的。在某种程度上，过程角是一种尝试，试图对铸造出来的东西设定界限——最快的事情发生的速度是什么，最慢的事情发生的速度是什么，最差的功率是什么，最小的功率是什么?你需要考虑多个维度，但你基本上是在试着把铸造出来的东西放在一个盒子里;角就是那个盒子的边缘。”

虽然这看起来很简单，但问题是这个盒子的维度数，Geada说。“只处理晶体管，有n对p。人们在谈论过程时谈论的典型散点图通常是n个晶体管的某个特性，与p个晶体管的某个其他特性相对应。当你谈论过程和过程角时，你通常会在总体散点图中看到这一点。”

典型的角落:
•FF(快快)
•SF(慢速)
•SS(慢慢)
•FS(快、慢)
•TT(典型典型)

让事情变得复杂的是，需要考虑的不只是一组参数。

“通常人们谈论的是速度和晶体管提供电流的能力，但我们也关心泄漏电流的行为，”他说。“我们关心的是阈值电压。它们有自己的散点图，这些散点之间并不是独立的。此外，这些散点图的形状随着温度和电压的变化而变化，所以这就是你在设计层面上必须处理的角的数量开始攀升的地方，因为盒子的形状和尺寸在不同的操作环境中会发生变化。”

设计团队可能更关注角落的某些方面，而这些方面可能在每个设计中都是不同的。例如，超低功耗芯片可能与高性能芯片有不同的权衡，这就是事情变得复杂的地方。

Geada指出:“某些类型的设计，比如我们植入手机的芯片，需要考虑所有维度，因为当你在手机上玩游戏或做一些密集的事情时，它们会在高性能模式下运行。”“但当它只是闲置时，你希望它能运行并仍有功能，但在最低功率点。因此，它们必须在更大的配置文件集中进行优化。”

对于高性能设计，目标是速度和尽可能低的功率的结合。

“设计师们会在拐角处进行设计，”马格迪·阿巴迪(Magdy Abadir)说Helic．“他们选择了一个离最坏情况稍微远一点的地方，因为这是非常悲观的，不会让他们在试图实现的业绩目标上取得任何进展。他们会围绕一些中间的或稍微激进的东西来设计，做时间分析，做功率分析，做所有的事情。通过这种方式，大部分设计活动都是在拐角处完成的。然后，一旦他们得到最终答案，比如设计布局，设计满足时间等，这些设计通常会有一个误差范围。”

这个错误的大小是不同的。Abadir说:“当foundry指的是时间目标时，这意味着你需要在实际数字的10%内达到路径的时间。“大约有10%或15%的闲置时间，这取决于这个过程的成熟度，取决于他们希望获得多少收益率等因素。在tapout的最后一两个月里，设计团队将开始测试更高端的角，看看这些角是否符合他们的设计。他们采用相同的设计，在最坏的情况下进行开采。他们还会重新计算时间，重新计算功率，看看这些数字会发生什么变化。如果是错误的，他们就会开始研究哪些是导致问题的原因，并可能会对它们进行调整。在过去的几个月里，他们尽量多做些事情。这是一个定位的问题，如果发生最坏的情况，它们会有多远，这是一个非常不科学的努力。”

然而，这也是一项必不可少的努力。“我们需要确保我们的设计是可制造的，并在先进节点工艺的制造变动性中展示所需的性能，”Sunil Bhardwaj说，他是该公司IP核业务运营高级总监Rambus．为此，我们使用代表晶体管和金属后端工艺制造变异性的工艺角进行设计模拟。我们将工艺FET角组合与寄生RC角组合结合，以及电压和温度的可变性，以确保设计的鲁棒性。例如，模拟SS(慢速nMOS和慢速pMOS)进程拐角和maxRC(最大电阻和电容)寄生拐角，模拟FF(快速nMOS和快速pMOS)进程拐角和minRC(最小电阻和电容)寄生拐角。由于设计是混合信号，它还包含多个电压供电域，我们还需要考虑和模拟多个供电域角。例如，典型的双电源设计可以运行30多个弯角。”

金属也发生了变化
还有一个问题，就是金属的变化。“金属实际上有点不同，因为可能有9到数十个金属轨道，每一个金属轨道都与下一个不同，”Geada说。“它们在每一层的基础上都有很好的相关性，但它们在层与层之间的相关性并不那么好。金属也有不同的特性，典型的金属萃取是提取最大电阻，最小电阻，最大电容，最小电容，也经常是最小或最大RC产品。这些是你能得到的所有不同的散点图，所以当你在设计一个芯片并试图最大化你能得到的产量以及它们的工作效果时，你需要弄清楚你的设计在所有这些工艺空间中的位置。这是角落爆炸出现的时候，因为你必须看，特别是结尾。有设计角，也有结束角，这就是为什么很难直接知道你需要多少个角。”

有些是主观判断。阿巴迪说:“你开始在巴士的设计中避免这些事情，或者在电路上的长电线，但时钟是一个非常重要的因素。”“像EM(电磁)耦合这样的东西不是问题，因为它没有建模。甚至连模拟它的设计都不多。他们没有模拟电感，所以这是未知因素。聪明的设计师可能会说，因为它不会影响这些图层，所以它们是可以的。他说，这不会影响我在这方面的工作。但是在另一个区域，让我分析一下，让我担心一下，这里和那里的一些东西。所以这仍然是一门艺术。从同样的意义上来说，这并不是真正的科学，‘这是一个算法，它保证即使在最古老的过程变化中也能起作用。’”

无论各种组件和IP的特征有多好，这都是事实。“即使你拥有世界上所有的特征，你也不能描述所有的东西，”阿巴迪尔指出。“如果我太悲观，我就不会有竞争力。如果我过于乐观，收益将为零，我永远也达不到目标。这需要大量的经验。一直在设计某些类别设计的公司都有这种经验。他们有经验丰富的设计师，知道什么该做，什么不该做，在这里应该把油门踩多大，在那里应该把脚放下来。”

那么应该跑多少个弯道呢?这个问题没有明确的答案。

“这要视情况而定。节奏．“您可能必须在min中运行一些，在max中运行一些，然后反转它们，然后在typ中运行一些，在max中运行一些，反转它们，等等。如果你有四个不同的过程在运行，并且每个过程有三个不同的角在三种不同的电压和三种不同的温度下，你需要做所有不同的组合，你开始堆积很多需要运行的模拟。这是最小值。有些设计团队工作在高级节点上，不只是有最小值、typ和最大值;他们可能有六七个不同的角落需要检查。它们可能在末端有一个角，它们可能在3部分有一个角因为它们想要封装很多电路的行为。当然，他们在典型情况下有一些角，但也许他们想做更多的测试。它们可能在典型的平均范围周围有几个不同的角落。当你把两个角相乘时，这是一个乘法问题。 It’s these transistors’ corners multiplied by those transistors’ corners multiplied by that transistors’ multiplied by the temperature multiplied by the process voltages. Before long, you’re up to what some of our customers do, where they will check anywhere from 800 to 1,100 different corner combinations.”

通常在数字设计流程中，MOSFET器件有四个方面需要考虑——最差速度、最差功率、最差一和最差零。这只是起点。

该公司集成传感器电子学小组负责人Torsten Reich表示:“标准电池是为那些典型的极端情况而设计的弗劳恩霍夫东亚峰会．“这与温度或VDD等其他参数相结合，可以产生至少16个角。使用诸如权力或频率扩展进一步增加角的数量。对于模拟来说，情况就不同了，即使是标准技术也更复杂，因为除了mosfet之外，我们还有用于电阻、帽和双极器件的角。这将产生至少32个角，这也将乘以温度和VDD角的数量。除此之外，我们还需要注意外部参考电压的可变性。这在验证流程中总共导致大约200个PVT角。对于高级节点，即使是数字流也会因为需要检查的角落而变得越来越复杂。在FD-SOI例如，晶体管可以在高性能或低泄漏配置下运行，这是由反门电压控制的。除了通常的参数外，数字电池还需要通过背门电压进行表征，这再次增加了验证过程中需要检查的角的数量。”

尽管如此，在高级节点，特别是7纳米和5纳米，仍有很多工作正在进行，印度纳米技术公司的市场总监Shekhar Kapoor说Synopsys对此．“过程弯道只是等式的一部分。传统的工艺弯道数量并没有真正改变，RC弯道也是如此。真正的挑战是变化效应。局部/片上/芯片上的变化部分，已经成为最大的挑战。全球利润率持平的日子带来了很多悲观主义和过度设计——这是每个人都在谈论的问题。”

卡普尔指出，晶圆代工厂从传统的五个角落走向了所谓的全球角落。“并不是所有的铸造厂都这样做，但其中一些铸造厂做的是全球快速，快速和全球慢速，慢速，其中包括一些在模具或当地的变化。全行业的工作仍在继续。还有一些超低电压操作，这真的让它变得更有问题。你必须确保在0.4伏甚至更低的电压下正常运行。我们一直在与代工厂合作解决这个问题。其中一个问题是，通过POCV(参数在路变化)，你如何继续扩展它?”

同样，使处理工艺角如此具有挑战性的是，对于一个典型的工艺节点，有3到6个设备角，5到11个互连角，然后还有几个温度和电压角，该公司的产品营销总监Carey Robertson指出Mentor是西门子旗下的企业．“这些有一个乘法效应，这意味着如果你有3个设备角，5个互连角，2个温度和2个电压。你需要做3 x 5 x 2 x 2 = 60个模拟才能完全覆盖。”

Robertson解释说，为了实现这一目标，设计团队需要生成代表每个弯道的60个电路“视图”或网络列表，然后他们必须进行实际模拟。“处理所需的时间和计算资源令人生畏。其次，理解什么是真正重要的是一个困难的考虑。你是否必须在所有角落都关闭你的设计，或者某些角落比其他角落更重要?从统计学上讲，哪些方面是最重要的?”

Robertson建议，为了让EDA公司更容易在这一领域制造更好的工具，晶圆代工厂可以提供更好的统计数据，以帮助EDA工具和客户更好地确定优先级。“有了更好的数据，我们可能就能提供更好的指导，这样设计师就不会试图用‘快’的互连角来优化‘慢’的设备角。”

目前，有一些工具可以并发生成电路网络列表(或视图)，这样用户就不必显式地多次调用该工具来获得不同的网络列表。最重要的是，仿真工具正在改进，以进行更快的分析(使用更好的技术和多cpu)，并帮助客户确定哪些敏感电路将因转角变化而受到影响。这使得设计师可以专注于他们可以最大程度地改进电路的地方。

先进的挑战领先优势
事实上，诸如7nm及以下的先进节点使得在设计中考虑角变得更具挑战性。“对于相互连接的角落，随着的出现有了很大的增加多模式罗伯逊说。“使用多模式，你知道同一层上的几何图形以不同的掩码表示，这不仅意味着层间变化(一直如此)，而且由于掩码移位，你知道层内变化。每当你引入更多的处理步骤或添加层时，就有可能需要在模型中捕捉变化，或者潜在地在另一个角落的描述中捕捉变化。”

随着当今设计和过程的复杂性，设计师需要记住，任何电路的最坏情况都取决于特定的电路，并且可能会因用于评估的指标而有所不同。“例如，在最坏的情况下，在某些情况下，缓慢的进程拐角可能会导致更高的功率，这取决于寄生负载效应。多电源电路需要模拟倾斜的电源角，并了解对泄漏路径的影响。”

在混合信号设计的情况下，可以将模拟设计中使用的仿真角与数字设计中的角进行匹配，从而得到最坏情况的时序分析。Bhardwaj表示:“设计师们努力创造强大的设计，验证各个角落的性能，同时确保实现功率/面积目标——更紧凑的流程角落有助于设计师们成功实现这一目标。”此外，产品的健壮性对于解决网络应用需求尤其重要，其中包括长生命周期内的高可靠性。”

在一天结束的时候，处理过程的角落有点像天气。“预测今天天气最可靠的方法就是和昨天完全一样，”ANSYS的Geada说。“流程角也是如此。不管上次起作用的是什么，经过一些小的调整，这次可能也会起作用，除非——这对大多数人来说是可怕的——在这个过程中发生了一些事情，不再像以前那样表现。这就是为什么人们突然开始真正关注7纳米及以下，因为一大堆人们认为会相互作用的效果突然之间就不存在了。这就是为什么你突然听到很多关于时间-电压相互作用的说法，因为在小电压和这些过程中，这两个独立优化的参数不再能够独立处理。”

有时，设计空间也会发生变化，比如在汽车芯片中增加可靠性。

Geada说:“它不仅在今天如何运作，而且在10年后如何运作。”“突然之间，你就在你的过程空间中打开了一个我们以前没有注意到的维度。”