圍繞5nm制造工藝節(jié)點的活動正在迅速發(fā)展，這讓我們對必須克服的、日益復(fù)雜的無數(shù)設(shè)計問題有了更深的認(rèn)識。
28nm之后，每個新節(jié)點的進(jìn)展都需要設(shè)計方與代工廠之間日益緊密的合作，他們正在開發(fā)新工藝和規(guī)則平臺；還需要與EDA和IP供應(yīng)商之間日益緊密的合作，他們正在添加工具、方法和預(yù)先開發(fā)的功能來完成所有這些工作。但是，5nm工藝增加了一些新的變化，包括在更關(guān)鍵的層上加入EUV光刻，以及更多的物理效應(yīng)和電氣效應(yīng)，這些效應(yīng)可能影響信號完整性、產(chǎn)量，以及制造后的老化和可靠性等各方面。
Arm公司物理設(shè)計團(tuán)隊的研究員Jean-Luc Pelloie表示：“對于邏輯而言，5nm的挑戰(zhàn)是妥善管理標(biāo)準(zhǔn)單元和電網(wǎng)之間的相互作用，不用考慮標(biāo)準(zhǔn)單元就能建立電網(wǎng)的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。標(biāo)準(zhǔn)單元的體系結(jié)構(gòu)必須與電網(wǎng)實現(xiàn)相適應(yīng)。因此，電網(wǎng)的選擇必須基于邏輯體系結(jié)構(gòu)。”
在5nm處，如果從一開始就沒有正確地考慮這種相互作用，則幾乎不可能解決IR壓降和電遷移問題。
Pelloie表示：“適當(dāng)?shù)碾娋W(wǎng)也會限制后端處理（BEOL）效應(yīng)的影響，主要原因是，當(dāng)我們繼續(xù)微縮到5nm時，通孔和金屬電阻會增加。除了考慮電網(wǎng)的邏輯架構(gòu)外，規(guī)則的、均勻分布的電網(wǎng)也有助于減小這種影響。對于使用功率門限技術(shù)（power gates）的設(shè)計，則需要更頻繁地插入這些門，以免降低性能。這會導(dǎo)致功能區(qū)塊面積的增加，并且可以減小從先前的制程節(jié)點微縮時的面積增益。”
向10/7nm以下的每個新節(jié)點的遷移變得更加困難、耗時和昂貴。除了物理問題，還有方法上的變化，甚至是工程師需要做的假設(shè)也有變化。
ANSYS公司半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部產(chǎn)品工程總監(jiān)Ankur Gupta表示：“你有了高性能的系統(tǒng)，又有了更精確的系統(tǒng)，所以你可以做更多的分析。但許多工程團(tuán)隊仍必須擺脫傳統(tǒng)的IR假設(shè)和Margin。他們?nèi)孕杌卮鹗欠衲苓m應(yīng)更多corner的問題。如果他們能夠適應(yīng)更多corner，那么他們會選哪個corner？這是行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。當(dāng)運行EM / IR分析時，它是工程師選擇運行的矢量的強(qiáng)大功能。如果我能制造出正確的矢量，那么我本該早就做到了，但這不可能。 ”
選擇正確的矢量并不總是顯而易見的。Gupta指出：“技術(shù)正在迅速發(fā)展，隨著電壓和時序的結(jié)合，可以智能地選擇或識別弱點。這不僅僅是從網(wǎng)格弱點的角度來看，而是從網(wǎng)格弱點加上對延遲的敏感性、對處理變化的敏感性、對同步開關(guān)的敏感性（總之是對一系列最終會影響路徑并導(dǎo)致失效的因素的敏感性）的角度來看。”
Gupta表示：“這改變了整個設(shè)計方法。能不能減小Margin？能不能設(shè)計一種可以在整個過程中收斂的流程？我是否可能使用統(tǒng)計電壓而不是平坦的保護(hù)帶寬IR壓降前置（flat guard band IR drop upfront），然后潛在地轉(zhuǎn)向這些DVD波形——真正準(zhǔn)確的DVD波形——以及在signoff空間中獲得高精確度的路徑？我可以分析芯片、封裝和系統(tǒng)嗎？我可以進(jìn)行所有這些分析嗎，這樣我就不會浪費來自封裝的5%的Margin？在7nm工藝中，我們討論的是接近閾值的計算，就像是NTC的某些corner，而不是整個芯片，因為你可以參考移動芯片，他們并不總是運行sub-500。有一些條件和模式可以讓你運行sub-500。但在5nm處，因為整體熱度范圍和整體功耗預(yù)算，移動設(shè)備可能會在sub-500毫伏的各個corner運行。”
不僅僅是移動芯片，同樣的道理也適用于網(wǎng)絡(luò)、 GPU和AI芯片，因為很多設(shè)計都有相同的總功率限制。他們把許多晶體管封裝在一個很小的空間里，總功耗將決定最大工作電壓。Gupta表示：“如果升級，你就沒有足夠的電力，如果整個芯片現(xiàn)在開始以600毫伏或更低的電壓運行，那么在800毫伏處你就沒有足夠的功率。那么，你需要幾十個低于500毫伏的corner，這將成為你的整個設(shè)計，讓你陷入‘必須擁有這些（分析）技術(shù)’的境地。在7nm之后，我們還看到了早期spice模型在5nm處的變化影響更大。”
在這些技術(shù)問題和設(shè)計問題中，有很多在一些節(jié)點上變得越來越糟糕。
Cadence公司研發(fā)副總裁Mitch Lowe表示：“還存在更具挑戰(zhàn)性的引腳訪問范例，更復(fù)雜的布局和布線約束，更密集的電網(wǎng)支持，庫架構(gòu)和PG網(wǎng)格之間更緊密的對齊，更多且更嚴(yán)格的電遷移考慮，更低的電源電壓角，更復(fù)雜的庫建模、提取建模中的其他物理細(xì)節(jié)，更多及更新的DRC規(guī)則。顯然，EUV光刻至關(guān)重要，這確實可以減少多模式的挑戰(zhàn)和影響，但并不能消除。盡管EUV簡化了一些事情，但仍有一些新的挑戰(zhàn)正待處理。”
EDA社區(qū)已經(jīng)處理了這些問題一段時間。Lowe說：“這是見證先進(jìn)EDA解決方案出現(xiàn)的時代。我們還有很多工作要做，但很明顯5nm技術(shù)將成功部署。”
EDA生態(tài)系統(tǒng)在大力投資持續(xù)PPA優(yōu)化，加強(qiáng)多個常見引擎的緊密關(guān)聯(lián)。Lowe表示，其中一個例子是將IR壓降和靜態(tài)時序分析（STA）相結(jié)合，來管理使用5nm傳統(tǒng)Margin方法固有的日益增加的風(fēng)險。
也可能需要進(jìn)行其它更改，Synopsys設(shè)計集團(tuán)營銷經(jīng)理Mark Richards指出，5nm尚不成熟，各種代工廠處于開發(fā)計劃和執(zhí)行的不同階段。
“除了在積極轉(zhuǎn)向在非常短的時間內(nèi)提供生產(chǎn)就緒flow的主要的代工廠商外，也在對晶體管的架構(gòu)進(jìn)行研究，因為某種程度上finFET正在向5nm節(jié)點延伸到極限。”Richards說，“正如代工廠自己報道的那樣，這就是頂級性能優(yōu)勢有所下降的原因。當(dāng)你為滿足面積縮小的目標(biāo)而減少鰭片時，需要增加鰭片的高度來彌補(bǔ)減小的驅(qū)動器。從性能來看，這帶來了固有的電容問題，充電和放電時這些電容是有問題的。”
三星和格羅方德宣布計劃轉(zhuǎn)向3nm節(jié)點的納米片F(xiàn)ET（nanosheet FET），臺積電正在追求3nm節(jié)點的納米片F(xiàn)ET和納米線。所有這些都是全柵FET（gate-all-around FET），在5nm以下需要減少柵極漏電。之間還有許多節(jié)點和半節(jié)點（stepping-stone node），這些節(jié)點可以減少遷移至全新技術(shù)的影響。
圖1：全環(huán)柵極FET。資料來源：Synopsys
預(yù)計在5nm節(jié)點，電和熱寄生效應(yīng)將大幅增加，弗勞恩霍夫集成電路研究所IIS的高級物理驗證博士Christoph Sohrmann表示， “首先，F(xiàn)inFET設(shè)計將承受更強(qiáng)的自熱，雖然這可以在技術(shù)方面進(jìn)行處理，但減小的間距是一個設(shè)計挑戰(zhàn)，不能完全被靜態(tài)設(shè)計規(guī)則覆蓋。設(shè)計中增強(qiáng)的熱/電耦合將有效地增加到芯片的敏感部分（如高性能SerDes可能的峰值可能會有限制）。但這很大程度上取決于用例和隔離策略。選擇正確的隔離技術(shù)-如設(shè)計層面和技術(shù)-需要更準(zhǔn)確、更快速的設(shè)計工具，特別是非常先進(jìn)節(jié)點中的寄生效應(yīng)。
我們希望這些工具的新的物理效果，這距離量子尺度并不遠(yuǎn)。為了使物理層面正確，需要許多測試結(jié)構(gòu)來適應(yīng)這些新工具的模型。這是一個耗時且昂貴的挑戰(zhàn)。我們還希望減少啟發(fā)式模型，模型中有更多的真實物理方法。最重要的是，代工廠要對這些參數(shù)和模型非常謹(jǐn)慎，該領(lǐng)域未來的所有標(biāo)準(zhǔn)也要考慮這點。”
對于3nm和3nm以下的節(jié)點，必須轉(zhuǎn)向新的晶體管結(jié)構(gòu)，來繼續(xù)實現(xiàn)新節(jié)點所期望的性能優(yōu)勢，Richards說，“隨著引入越來越多的半節(jié)點，你基本上在某種程度上從下一個節(jié)點借用，當(dāng)你拋出一個中間的節(jié)點（boutique nodes）時，可以從下一個節(jié)點借用預(yù)計的優(yōu)勢，這就是我們在中間一些專門的節(jié)點中所看到的，但鑒于最終客戶的需求，他們非常重要，它們確實使我們的客戶積極地進(jìn)行產(chǎn)品交付。
對于任何新的流程節(jié)點，EDA和IP社區(qū)都需要進(jìn)行巨大的投資，以確保工具、庫和IP與新的技術(shù)規(guī)范和功能保持一致，其中一部分是新節(jié)點下設(shè)計團(tuán)隊必須遵守的新流程的流程設(shè)計工具包。
整個行業(yè)中，單元和IP開發(fā)公司和團(tuán)隊正在進(jìn)行大量的開發(fā)工作。 “實際上，最大的變化和開發(fā)工作在0.5級PDK或之前實現(xiàn)，” Richards說， “一般來說，從0.5開始，PDK與預(yù)期的變化相比會變小。通常一切都已完成。在尋找路徑之間，0.1和0.5之間，大部分都完成了，然后其余部分逐漸減少，因為到那時你已經(jīng)有很多客戶做測試芯片，所以減少了所需的變化量。除此之外，它實際上是關(guān)于構(gòu)建和成熟參考流程、構(gòu)建方法，并真正支持在0.5到1.0時間范圍內(nèi)的那些，以確保真正芯片要實現(xiàn)的面積和性能。”
圖2：5nm納米片。資料來源：IBM
遷移或不遷移
目前，許多半導(dǎo)體公司的另一個考慮因素不是遷移到下一個節(jié)點，或至少不是那么快地遷移到下個節(jié)點，或是否向完全不同的方向移動。
“新架構(gòu)將被接受，”西門子業(yè)務(wù)公司Mentor的總裁兼首席執(zhí)行官Wally Rhines說，“他們將要設(shè)計成功。他們將在許多或大多數(shù)情況下進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，因為你的大腦有能力從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)。我訪問了大約20多家使用自己的專用AI處理器的公司，他們每個人都有自己的觀察角度。但是你會越來越多地在特定應(yīng)用中看到它們，它們將補(bǔ)充傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構(gòu)。神經(jīng)形態(tài)計算將成為主流，它是我們?nèi)绾卧谟嬎阈省⒔档统杀尽⒃谝苿雍瓦B接環(huán)境中完成工作的一個重要方面，目前我們必須去大型服務(wù)器場解決。”
其他人應(yīng)該堅持到底，至少目前如此。
“我們的許多客戶已經(jīng)從事5nm工作，”Richards說，“他們試圖弄清楚這個節(jié)點轉(zhuǎn)變給他們帶來了什么，因為很明顯，紙上的微縮優(yōu)勢與他們在真實設(shè)計中可以實現(xiàn)的微縮優(yōu)勢非常不同——他們的設(shè)計具有自己的特定挑戰(zhàn)——所以他們“試圖弄清楚什么是真正的微縮，真正的性能優(yōu)勢是什么，這很好處理，從產(chǎn)品的角度來看它是一種很好的使用方法，也是一個好的計劃。”
目前來看，先期采用5nm的將是移動應(yīng)用。他說， “臺積電自己引用了N7 20％的bump工藝，據(jù)我所知，這是7 ++的未知bump工藝。實際上，移動是一個很好的應(yīng)用，其面積相對于N7為45％——實際上將提供一個很大的差異化。你將獲得同樣重要的功耗和性能優(yōu)勢，但隨著最新IP核的復(fù)雜性和面積不斷增長，你需要擁有開發(fā)差異化群集的自由，而且積極的面積縮減（ggressive area shrinks）將允許這樣做。
關(guān)鍵指標(biāo)始終是性能、功耗和面積，所有這些指標(biāo)之間的權(quán)衡變得越來越困難。提高性能會帶來動態(tài)功率的后續(xù)增加，這使得IR降低更具挑戰(zhàn)性。這需要更多時間來調(diào)整電網(wǎng)，使設(shè)計可以提供足夠的功率，但不會在整個過程中破壞設(shè)計的可布線性。
“功率的關(guān)鍵在于如何將功率降低到標(biāo)準(zhǔn)單元（standard cells），” Richards說， “你不能把單元放在一起，因為它會破壞電網(wǎng)的資源。這意味著在電源及其影響的早期flow中工作。在SoC設(shè)計中，你可能會看到非常不同的電網(wǎng)，具體取決于SoC上每個模塊的性能要求，因模塊而異。它必須按塊進(jìn)行調(diào)整，這本身就具有挑戰(zhàn)性。在進(jìn)行這些折衷時，設(shè)計平臺的分析和sign-off能力變得越來越重要。“
Narrower margin
同時，閾值和工作電壓之間的Margin在5nm節(jié)點很小，因此必須進(jìn)行額外的分析。
臺積電和三星都提到極低的Vt電池，這對于真正推動5nm的性能至關(guān)重要，其中閾值和工作電壓非常接近。
“當(dāng)你處于那個相位時需要建模和捕獲發(fā)生的非線性和奇怪的行為，以便盡可能地降低它，”他說，“顯然，在7nm時需要LVF（自由變化格式），因為當(dāng)工作電壓變得非常非常低并且非常接近閾值時，但現(xiàn)在即使你正在運行你不會考慮通過有效的極低電壓Vt電池進(jìn)行極低功耗設(shè)計，你回到了同一個位置。你已經(jīng)再次縮小了這個差距，現(xiàn)在LVF和建模這些東西非常重要。“
電感，電磁效應(yīng)
事實上，隨著向7nm和5nm節(jié)點的轉(zhuǎn)變，趨勢很明顯：頻率增加，Margin更小，集成電路更密集，以及新設(shè)備和材料，Helic市場營銷副總裁Magdy Ababir強(qiáng)調(diào)說。
他在最近的設(shè)計自動化大會上表示，一個小組討論并辯論了以下概念：在何時何地應(yīng)包括全電磁（EM）驗證；忽視磁效應(yīng)是否會導(dǎo)致開發(fā)過程中出現(xiàn)更多的硅故障；應(yīng)用最佳實踐以避免EM耦合和跳過繁瑣的EM驗證部分的方法仍然是一種有效的做法；如果這種方法可擴(kuò)展到5nm集成電路及以下；如果由電感耦合和模擬困難引起的緊密矩陣是工業(yè)沒有廣泛采用全EM模擬的主要原因;；以及在工具開發(fā)，教育和研究方面可以做些什么來降低工業(yè)采用全EM模擬的障礙。
“小組成員都強(qiáng)烈同意，完整的EM分析至少在任何尖端芯片的一些關(guān)鍵部分是基礎(chǔ)。來自Synopsys的專家小組成員認(rèn)為，芯片中的一些關(guān)鍵位置需要這些功能，如時鐘，寬數(shù)據(jù)總線和配電，但主流數(shù)字設(shè)計還沒涉及這些。英特爾小組成員認(rèn)為，對于當(dāng)前的芯片，應(yīng)用最佳實踐和使用完整的EM模擬跳過仍然有效，但是這種方法不會延續(xù)到未來。來自英偉達(dá)的專家小組成員簡單地說，EM模擬是他的高頻SERDES設(shè)計的必要條件，Helic的專家小組成員在此強(qiáng)烈同意，并展示了意外的EM耦合導(dǎo)致關(guān)鍵芯片故障的例子。主持人認(rèn)為磁效應(yīng)已經(jīng)證明存在，并且在集成電路中已經(jīng)有一段時間非常重要，但是將磁效應(yīng)包含在仿真中，以及操縱由感應(yīng)耦合產(chǎn)生的非常大且密集的矩陣是完整的EM驗證還不是主流的主要原因。每個人都同意在最佳和潛在失敗的過度設(shè)計中不包括EM效應(yīng)，”Abadir提出。
最后，專家組一致認(rèn)為，需要改進(jìn)處理EM驗證、更好地了解磁效應(yīng)的工具，并對如何防止EM故障或甚至采用受磁效應(yīng)影響的設(shè)計進(jìn)行重大研究。該小組還同意，當(dāng)前更高頻率、更密集電路和器件縮小的趨勢加上芯片故障的爆炸性損失，使包括完整的EM驗證勢在必行，他補(bǔ)充道。
5nm的另一個挑戰(zhàn)是波形傳播的準(zhǔn)確性。從運行時刻的角度來看，波形傳播是非常昂貴的，因此需要在整個設(shè)計流程中捕獲波形。否則，sign-off時的意外是設(shè)計太大而無法關(guān)閉。
解決這些問題的典型方法是在設(shè)計中添加Margin。但是自finFET出現(xiàn)以來，Margin已成為一個越來越棘手的問題，因為尺寸太小以至于額外的電路會降低縮放的PPA優(yōu)勢。因此，設(shè)計團(tuán)隊不僅是增加Margin，而是被迫更加密切地遵守代工模型和規(guī)則。
“代工廠確實提供了代表corner模型的器件模型，”eSilicon IP工程副總裁Deepak Sabharwal說，“在過去，你被告知corner模型捕捉到了制造的極端情況，但現(xiàn)在已經(jīng)不是這樣了。今天，仍有corner模型，但也有全局和本地的變化模型。全局變化捕獲全局制造手段，例如當(dāng)在代工廠運行多個批次時，每個批次將以某種方式表現(xiàn)并且作為我的全局變量的一部分被捕獲。局部變化模型表示我在die上時我的die有一些元素（when I’m on a die and my die has a Gig of elements）。然后我有我的分布的中間點，以及那個分布上的異常點。”
在5nm節(jié)點，必須考慮全局和局部的變化，因為它們是遞增的。
“與此同時，這些分析都是以經(jīng)驗為導(dǎo)向的，”Sabharwal說，“你增加多少Margin，還要確保你不要過度增加？如果你設(shè)計太多的sigma，你最終會失去競爭力。這就是你必須要注意的，而這正是經(jīng)驗的來源。你必須確保你有足夠的Margin讓你可以在晚上睡覺，但不要因為放入太多不必要的額外面積來殺死你的產(chǎn)品。”
與任何時候相比，5nm節(jié)點都帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。 “當(dāng)你考慮到芯片上的數(shù)十億組件時，它解釋了為什么當(dāng)你從一代轉(zhuǎn)向另一代時，構(gòu)建這些芯片所需的團(tuán)隊規(guī)模在增加。所有這些挑戰(zhàn)都在等著我們，這些問題將繼續(xù)存在，人們將提出解決問題的技巧，并繼續(xù)照常工作。工程實際上是建造能夠始終可靠工作的東西的藝術(shù)，”Sabharwal說。