現(xiàn)階段,，越來越多的芯片應(yīng)用于安全或關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域,，對于芯片缺陷率和良率的要求越來越高。另一方面,，對于企業(yè)來說,，更低缺陷率和更高良率也是降低設(shè)計和制造成本的一種方式,。

而在初始設(shè)計中解決這些問題已經(jīng)成為降低芯片缺陷率、提高良率的新方向,。過去,，芯片缺陷和良率問題總是被歸結(jié)于晶圓廠。為了確保芯片設(shè)計能夠成功流片點亮,，企業(yè)實施了限制性設(shè)計規(guī)則 （RDR）,。但RDR對于芯片設(shè)計生產(chǎn)來講,，仍然存在一些挑戰(zhàn)：

RDR增加了太多設(shè)計裕量,，尤其是在先進工藝節(jié)點上。這會對性能,、功耗和面積產(chǎn)生負面影響,。

為特定應(yīng)用定制的芯片越來越多，頻繁使用某種類型的先進封裝,、不同種類的處理器和存儲器,，以及過去未批量生產(chǎn)的獨特架構(gòu)。

在某些應(yīng)用中,，芯片的預(yù)期壽命更長,，這意味著在智能手機中原本不是問題的潛在缺陷現(xiàn)在可能需要花更大代價召回。因此，設(shè)計團隊開始在設(shè)計中加入傳感器,，以確定芯片從開啟到預(yù)期壽命結(jié)束的使用狀態(tài),。

如今，設(shè)備及產(chǎn)品對芯片都有著不同的要求,。例如,，與為物聯(lián)網(wǎng)消費設(shè)備生產(chǎn)的芯片相比，用于汽車傳動系統(tǒng)的芯片具有完全不同的應(yīng)力和預(yù)期,。設(shè)計團隊需要了解這些芯片隨著時間的推移會如何表現(xiàn),，從環(huán)境和使用條件到老化、電熱,、應(yīng)力和變化效應(yīng)等綜合考量,。

“可靠性是當(dāng)今電路設(shè)計和仿真中需要解決的最重要議題之一，”西門子EDA ICVS AMS驗證產(chǎn)品工程總監(jiān)Ahmed Ramadan Hassan表示,?！拔覀儸F(xiàn)在擁有的產(chǎn)品在2年、5年或10年后可能不再起作用,。例如以特定頻率運行的處理器,，由于電路中的每個設(shè)備都施加了應(yīng)力，其頻率可能會在5年或更長時間后下降,。對于更大的設(shè)計,，這種偏壓或溫度方面的應(yīng)力會降低特定設(shè)備的整體性能。因此,，芯片可能無法執(zhí)行預(yù)期的功能,，或者會降低其預(yù)期的功能?！?/p>

設(shè)計人員現(xiàn)在必須在電路設(shè)計和驗證中考慮可靠性問題,，有效地將有關(guān)缺陷、良率和可制造性問題從設(shè)計到制造流程中一直左右轉(zhuǎn)移,。

“過去,，由于缺乏良好的可靠性分析和仿真技術(shù)以及可靠性模型，設(shè)計人員會過度設(shè)計,，并留有很多裕量,。他們在設(shè)計中添加了大量防護帶，來確保該產(chǎn)品至少在保修期內(nèi)不會出現(xiàn)故障,?！?/p>

這種轉(zhuǎn)變意義重大，但需要從更高層面來看,，才能真正了解其包羅萬象,?！岸嗄陙恚覀兪冀K努力制造更好,、更快,、更新的芯片，”Vtool前數(shù)字設(shè)計經(jīng)理Aleksandar Mijatovic表示,?！爱?dāng)技術(shù)處于臨界點時，我們也面臨著一系列問題,。有時技術(shù)突破邊界卻與預(yù)期背道而馳,。這意味著如果嘗試使用最大頻率來實現(xiàn)芯片上的最大密度，則很可能在給定技術(shù)的可能性邊緣工作,，有時可能會破壞芯片功能,。但另一方面，這不是工程師的錯,。我們都知道這一點,，但市場要求更好、更新,、更快,。”

經(jīng)濟負擔(dān)也在向左轉(zhuǎn)移,。雖然這種動態(tài)在某種程度上一直存在,，但隨著芯片制造商努力控制成本，這種趨勢已成為行業(yè)關(guān)注的焦點,。

圖1：每個工藝節(jié)點的SoC成本以百萬美元成倍上升,。

圖源：Cadence

“當(dāng)前，一些公司表示,，‘我們沒有必要使用最新工藝制程,，而是需要可靠的工藝節(jié)點。我們不想太頻繁地更換芯片,?！@并不是什么新鮮事，只是關(guān)注重點正在轉(zhuǎn)移,，” Mijatovic表示,?！坝性S多公司正在使用非常過時的技術(shù)制造芯片,。因為成熟工藝已經(jīng)足夠好，且經(jīng)過驗證,，并且沒有太多驚喜,，整個汽車芯片制造工作都是用成熟技術(shù)完成的,。在追逐全新的更先進的技術(shù)和工藝過程中，我們忘記了很多時候并不需要最新的制程節(jié)點,?！?/p>

對于汽車、醫(yī)療,、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用,，這些考慮變得更加復(fù)雜。在這些應(yīng)用中,，芯片成本急劇上升,、對更長壽命的需求、令人生畏的更換成本以及出現(xiàn)問題時的潛在責(zé)任掀起了一場風(fēng)暴,。

“當(dāng)我們開始談?wù)撛谄噾?yīng)用中使用電子產(chǎn)品時,，更重要的是要確保此類故障不會發(fā)生。確保全面考慮了這些問題,，確保汽車電子在更長時間或很短時間內(nèi)都不會出現(xiàn)問題,，” Hassan表示?！按送?，這意味著在設(shè)計方面需要更嚴(yán)謹?shù)陌踩雷o?！?/p>

與此同時,，隨著從汽車、機器人,、無人機等應(yīng)用場景的自主性越來越高,，可靠性已成為重中之重。

安全問題

與可靠性密切相關(guān)的是安全性,，尤其是在汽車,、醫(yī)療、工業(yè)和軍用／航空應(yīng)用方面,。

Vtool項目經(jīng)理Olivera Stojanovic 回憶稱,，在一次與安全相關(guān)的會議上，最終得出的結(jié)論是,，若黑客可以在車輛行駛過程中控制汽車駕駛,，那么security（面對惡意操作的安全）可能比safety（面對非惡意操作的安全）更重要。

Mijatovic指出,，當(dāng)很少有設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)時,，這并非什么大問題?！斑@不僅是我們的個人電腦和手機,，還有冰箱,、微波爐和暖氣。我們把所有設(shè)備都連接入網(wǎng),?！?/p>

越來越多的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)將增加設(shè)備的復(fù)雜性，這反過來又需要更多的驗證和更好的兼容性,。

“從設(shè)計驗證的角度來看,，可以將提出的每個附加要求都視為規(guī)范中的附加層，”Mijatovic表示,?！耙?guī)范并不意味著設(shè)備必須執(zhí)行規(guī)范中的功能，而是需要保證設(shè)備更可靠,、準(zhǔn)確和安全地運行,。所有這些都可以定義為功能，最終也將作為功能實現(xiàn),?？墒褂貌灰壮鲥e或不易被黑客入侵的架構(gòu)，并進行安全檢查,。最后,，這也適用于協(xié)議，以及從一開始就考慮到的安全性或可靠性概念,?！?/p>

持續(xù)監(jiān)測

這些可靠性問題不僅限于汽車領(lǐng)域?！拔覀円呀?jīng)開始看到,，對于其他應(yīng)用，可靠性設(shè)計和可靠性驗證也變得越來越重要,，”Hassan表示,。“我們已經(jīng)看到許多EDA供應(yīng)商與Compact Model Coalition等組織合作,，從電路設(shè)計所需的仿真和建模角度解決這種可靠性問題,。”

Compact Model Coalition開發(fā)了一個用于老化和仿真的標(biāo)準(zhǔn)接口,，稱為開放模型接口,，為代工廠或任何設(shè)計公司的各個團隊創(chuàng)建了一種方法來集成老化模型以處理機械退化等影響、熱載流子注入（HCI）等機制或該接口內(nèi)的負偏置溫度不穩(wěn)定性 （NBTI）,。它還能夠使用EDA工具運行仿真,，并在5或10年后或在該產(chǎn)品的預(yù)期使用壽命內(nèi)捕獲芯片運行狀態(tài)。

“這項工作旨在是通過運行這種分析,，設(shè)計人員將不需要過度設(shè)計,，因為已經(jīng)有了這種老化仿真，” Hassan表示,?！艾F(xiàn)在他們可以看到并預(yù)測其設(shè)計在一定年限后的狀態(tài)，并且可以將其設(shè)計推向極限以獲得性能——但不會留有裕量,。當(dāng)他們開始使用時,，實際上可以在其電路和設(shè)計中添加一些補償技術(shù)?！?/p>

使用的一些技術(shù)包括創(chuàng)建片上監(jiān)控器和傳感器,，以檢測操作期間設(shè)備性能的任何下降。通過這種感應(yīng),，可以應(yīng)用補償來適應(yīng)參數(shù)退化,，從而避免設(shè)計的整體性能退化。

額外的監(jiān)控器可能會增加設(shè)備和后續(xù)產(chǎn)品的面積,，并消耗額外的功率或影響性能,。但在某些情況下，擁有此類監(jiān)控器和補償技術(shù)可以確保在不造成傷害或服務(wù)中斷的情況下采取糾正措施,。

老化和應(yīng)力

雖然老化和各種類型的應(yīng)力（機械,、電氣、熱）是不可避免的,，但能夠預(yù)測這些影響會對設(shè)備執(zhí)行規(guī)范的時間產(chǎn)生重大影響,。預(yù)測影響的關(guān)鍵要素之一是了解芯片的使用環(huán)境。

“對于分析的探索源于汽車等傳統(tǒng)領(lǐng)域,，例如如何對應(yīng)力環(huán)境進行建模,，如何讓設(shè)計工程師有信心確保部件在未來15年內(nèi)都能正常工作?！盋adence數(shù)字與簽核小組高級產(chǎn)品管理總監(jiān)Brandon Bautz表示,。“汽車應(yīng)用要求設(shè)備能夠運行10年,，但只消耗這么多電力,，否則我的電動汽車不會走那么遠。部件的可靠性和性能之間需要平衡,。如何獲得更準(zhǔn)確的分析,，以便可以更清楚地了解芯片性能與可靠性？從數(shù)字角度進行的老化分析已經(jīng)有一段時間了,，但分析結(jié)果相對悲觀,。但考慮到10年前，甚至5年前擁有的工具,，這種分析方法確實是需要的,?！?/p>

然而，鑒于汽車行業(yè)對硅的依賴程度如此之高,，出于成本原因,，許多較新的領(lǐng)域也在尋求高可靠性?！澳梢允剐酒浅,？煽浚赡軣o法按照需要的方式運行,?！?Bautz表示?！坝捎谛酒旧淼膹?fù)雜性,，成本、性能,、面積和風(fēng)險的權(quán)衡變得越來越激烈,。因此，需要進行的分析類型更加復(fù)雜,。保護帶和確?？煽渴呛玫模鶕?jù)我們所做的一些研究,，以及我們在表征和分析算法中所做的改進,，已經(jīng)展示了客戶使用這些較舊的方法所擁有的利潤率。通過更準(zhǔn)確的分析,，設(shè)計團隊將能夠平衡可靠性和性能,。”

這為更多的全面分析打開了大門,，反過來又會對可靠性產(chǎn)生重大影響,。

“從了解過去二十年的工作方式開始，我們認識到10年前有限的計算能力無法真正捕捉到問題的真正本質(zhì),。在這種情況下,，我們指的是老化，以及影響老化的應(yīng)力依賴性,，”Bautz稱,。“通過在數(shù)字分析中將兩個部分放在一起,，表征過程可以在單元級別捕獲設(shè)備性能,。然后查看設(shè)計級別，并在設(shè)計的上下文中觀察特定的元件和設(shè)備性能。將特征與時序分析相結(jié)合,，為設(shè)計人員提供準(zhǔn)確度,，更具體地說，讓設(shè)計人員深入了解他們的電路在整體設(shè)計環(huán)境中的工作方式,。那么將電路置于設(shè)計環(huán)境中,，便可以分析設(shè)備的實際應(yīng)力。因此,，我們可以更準(zhǔn)確地分析老化對設(shè)備的影響,，并了解它如何影響設(shè)備的整體壽命,?！?/p>

模擬可靠性問題

這僅適用于數(shù)字設(shè)計，模擬設(shè)計面臨著更多的自身挑戰(zhàn),。

如今,，幾乎所有的芯片都包含模擬電路?！凹词乖趽碛袛?shù)百萬個門級的系統(tǒng)中,，仍然存在一定數(shù)量的模擬電路，而且這個數(shù)量還在增加,?！盋adence定制IC和PCB集團產(chǎn)品管理總監(jiān)Jay Madiraju表示?！澳M設(shè)計團隊關(guān)心的不僅僅是功能,，他們設(shè)計的模擬組件和模塊將與龐大的數(shù)字邏輯電路相連接。他們想預(yù)先知道設(shè)計是否可靠,?！?/p>

可靠性在模擬方面具有多重含義?！爱?dāng)您查看經(jīng)典浴缸曲線時,，您認為什么時候產(chǎn)品才算是可靠的？可靠性的概念實際上意味著什么,？這需要看模擬器件隨著時間的推移是否能夠運作良好,，”Madiraju表示?！斑@絕對是模擬人關(guān)心的問題,。那么，隨著時間的推移,，電路如何發(fā)揮作用,？從多年經(jīng)驗來看，設(shè)備故障將會變得越來越多，越來越不易于使用,。但哪些地方損壞了,？就載流子遷移率、閾值電壓和其他器件特性而言,，這是整個電路按其應(yīng)有的方式運行的基礎(chǔ),。它是如何隨著時間的推移而退化的，如何在退化之前預(yù)測,？”

雖然老化技術(shù)的仿真已經(jīng)發(fā)展了幾十年,，但其任務(wù)配置文件在過去幾年中才得到了改進。

“在任務(wù)配置文件之前,，工程團隊仿真了最壞的情況,，”他介紹?！啊@將是最糟糕的情況,。該芯片將用于汽車領(lǐng)域。我們將假設(shè)這輛車將永遠在120°的天氣里,。如何仿真這種極端情況,？’你必須通過假設(shè)這些極端惡劣情況來保障設(shè)備可靠性，但其意外后果是過度設(shè)計,、過度裕量和保護帶,。設(shè)計人員的設(shè)計理念相當(dāng)保守，全面考慮性能會受到的影響——性能來自不同方面,，比如速度,、時序和功率泄漏，以及芯片應(yīng)該如何表現(xiàn)的所有不同方面,。任務(wù)配置文件有助于解決這個問題,，因此可以定義不同的條件，包括溫度,、電壓和其他隨時間變化的條件,。你可以說有時候這些芯片有不同的應(yīng)力模式，或者在這種操作下,，比如在進行校準(zhǔn)過程時,，它會承受多大的應(yīng)力。應(yīng)力會導(dǎo)致退化,。不同模式下也不盡相同,。”

另一方面是制造可靠性,，在模擬領(lǐng)域中,，有幾個因素將會影響可靠性。“一個是時間的退化,。另一個是在制造過程中發(fā)生的未通過測試的缺陷,，例如芯片已經(jīng)完工且在將其發(fā)布給原始設(shè)備制造商之前已經(jīng)完成了初始測試。例如,，在汽車領(lǐng)域,，一些芯片通過了這些測試并交付給客戶，汽車OEM會面臨這些問題,?？煽啃詥栴}將是業(yè)界重點關(guān)注的問題?！彼忉?。

這就是模擬故障仿真的用武之地。它類似于數(shù)字端的DFT,，在芯片流片之前的驗證過程注入故障,?！拔覀兛梢钥吹侥男┕收蠜]有影響,，哪些故障會影響輸出，哪些不會影響輸出,，然后可以嘗試進行覆蓋測量,。我們正在通過各種測試來驗證設(shè)計。當(dāng)注入故障時,，預(yù)期看到的是錯誤的輸出,。最終，所有這一切的目標(biāo)是看看在使用測試集來運行電路時,，是否捕捉到了需要的一切現(xiàn)象,，以便當(dāng)芯片退化時客戶不會發(fā)現(xiàn)錯誤？” Madiraju說,。

電熱效應(yīng)是模擬領(lǐng)域中另一個日益重要影響因素,，而自熱模型中缺少的是熱量對相鄰或附近設(shè)備的影響。這需要電熱模擬仿真,。

“以前,，工程團隊只會進行熱模擬，測量傳播效果,，然后他們會根據(jù)對功率的影響返回相應(yīng)信息至模擬電路,，這是電氣仿真、電路仿真和熱之間單向流動的一部分,?！彼f。“現(xiàn)在,，這對于先進芯片和高壓設(shè)備來說顯然是不夠的,，當(dāng)然還有汽車領(lǐng)域的那些芯片，以及承受高壓條件的工業(yè)芯片,。亟需一種綜合方法,，使這種反饋效應(yīng)在單個仿真中建模?！?/p>

可靠性和內(nèi)存

內(nèi)存對可靠性的影響越來越大,，因為內(nèi)存選擇會影響從功率到面積的所有性能參數(shù)。這在 DRAM中尤為明顯,，隨著時間推移,，選擇高帶寬內(nèi)存或GDDR會對內(nèi)存在其他組件環(huán)境中的狀態(tài)產(chǎn)生重大影響。

“與DDR,、GDDR或LPDDR相比,，HBM設(shè)備的功耗將更低，需要處理的物理接口更少,?！盨ynopsys內(nèi)存接口IP產(chǎn)品營銷經(jīng)理Brett Murdock表示?！叭绾卧赟oC上物理實現(xiàn)它們是不受控制的,。你想做什么，就可以做什么,。你可以將一個完整的線性PHY放在芯片的一側(cè),，可以環(huán)繞在角落，也可以將它折疊起來,。有無數(shù)種方法可以實現(xiàn)該物理接口,。但是使用 HBM，則需要放置HBM立方體,，而JEDEC已經(jīng)準(zhǔn)確定義了該立方體上的凸點地圖是什么樣子,。這意味著雖然就放置凸點的位置而言，靈活性可能較低,，但它能夠帶來更好的可預(yù)測性和可靠性,。中介層以及如何將其連接在一起有多種不同的選擇，但歸根結(jié)底,，如果選擇GDDR,、LPDDR、DDR,，則可以構(gòu)建數(shù)百萬種不同的電路板,，以數(shù)百萬種不同的方式將其連接起來,，導(dǎo)致數(shù)百萬種不同的實現(xiàn)方式，以及數(shù)百萬種不同的錯誤結(jié)果,。而對于HBM,，放入PHY，放入設(shè)備,，并且如何在這兩者之間放置中介層沒有太多可變性,。SoC和HBM設(shè)備之間會有最小間距規(guī)則?！?/p>

在可能的情況下,，重復(fù)過去有效的方法可以大大確保它在新設(shè)計中有效?！爸貜?fù)有助于提高可靠性,，” Murdock認為?！拔覀?yōu)槊總€客戶做同樣的事情,，或幾乎同樣的事情，這一事實意味著我們越來越有經(jīng)驗,。這是經(jīng)過驗證的方案,。”

偏差

偏差是另一個影響可靠性的因素,，因此了解其對先進節(jié)點和先進封裝的影響尤為重要,。造成偏差的原因有很多,，從材料中的污染物和CMP的剩余顆粒,，到封裝過程中的芯片移位和光刻技術(shù)的不一致性。芯片在什么時候會產(chǎn)生缺陷,，以及如何在設(shè)計階段解決這些問題仍然是一個挑戰(zhàn),。

“設(shè)計團隊意識到需要對設(shè)計中的偏差采取解決措施，”西門子EDA AMS驗證產(chǎn)品PLM 軟件負責(zé)人Sathishkumar Balasubramanian表示,?！叭藗儑@這個談?wù)摬煌母拍睿ǚ€(wěn)健性和可靠性,。歸根結(jié)底,，這些都指向同一目標(biāo)，即客戶希望設(shè)備能夠在投入最終產(chǎn)品的任何地方工作,，且能夠在給定的合理時間表內(nèi)工作更長時間,。”

Balasubramanian表示,，偏差非常重要,，以至于業(yè)界開始將偏差作為高sigma要求包含在內(nèi),，從庫組件的設(shè)計流程早期開始，將其作為流程的一部分,?！八麄冎荚诖_保組件堅固耐用。例如,，在標(biāo)準(zhǔn)庫中,，對于給定的標(biāo)準(zhǔn)單元庫和特定工藝，它滿足所有不同的 PVT,，范圍更廣,，并且仍然滿足3到7 sigma要求?！?/p>

總結(jié)

將所有這些部分放在設(shè)計到制造流程的最左側(cè)是一項復(fù)雜的工作,。實際上，過去可以在制造中修復(fù)的問題已經(jīng)越來越難以完成,。如今,，必須在更左側(cè)考慮潛在問題，這意味著設(shè)計團隊現(xiàn)在正在努力解決通常為工藝工程師保留的概念,，而工藝工程師正在將數(shù)據(jù)反饋給EDA供應(yīng)商,，從而對工具進行調(diào)整，或增加新功能,。

當(dāng)前,，可靠性仍是一個普遍性挑戰(zhàn)，從最初設(shè)計到現(xiàn)場產(chǎn)品監(jiān)控,，整個供應(yīng)鏈都需要為保障芯片可靠性盡職盡責(zé),。