盡管有關(guān)摩爾定律瀕臨消亡或跟不上時代的傳聞不絕于耳，但半導(dǎo)體行業(yè)似乎多半仍在繼續(xù)開發(fā)新工藝節(jié)點和日益復(fù)雜的設(shè)計。因此，各家公司幾乎無休止地在為下一節(jié)點做準(zhǔn)備，進(jìn)而過渡至新的節(jié)點。

對晶圓代工廠而言，這種準(zhǔn)備工作以新器件、新工藝工具和新工藝流程為中心。同時，他們必須確保為客戶提供合格規(guī)則集（規(guī)則文檔）。設(shè)計公司專注于定義電路功能和性能目標(biāo)，同時確保他們擁有所需的設(shè)計軟件和硬件并已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行使用，以便在合理的周轉(zhuǎn)時間內(nèi)實現(xiàn)設(shè)計 signoff。

雖然很少談?wù)摰?，但電子設(shè)計自動化 (EDA) 行業(yè)也一直在為下一節(jié)點做準(zhǔn)備。隨著各種新工藝技術(shù)和新設(shè)計功能的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在越來越需要提高自動化能力，以自動利用一套經(jīng)過晶圓代工廠驗證的工具進(jìn)行驗證，同時在不增加運行時間的情況下保持最高的準(zhǔn)確度。本文將深入探討下一節(jié)點的開發(fā)挑戰(zhàn)，以及Mentor, a Siemens Business 如何為每個“下一節(jié)點”準(zhǔn)備 Calibre?nmPlatform。

下一節(jié)點的計算挑戰(zhàn)

衡量半導(dǎo)體行業(yè)向前發(fā)展勢頭的經(jīng)典指標(biāo)是設(shè)計中的集成電路 (IC) 晶體管數(shù)量。摩爾定律描述的是經(jīng)驗觀察：每片 IC 的晶體管數(shù)量以往大約每兩年翻一番。近年來，宣稱摩爾定律瀕臨消亡的聲音似乎一直不絕于耳，但經(jīng)驗證據(jù)持續(xù)表明事實并非如此。圖 1 顯示了最廣為人知的 IC 芯片的晶體管數(shù)量隨時間變化的最新復(fù)合圖 [1]。數(shù)據(jù)顯示，晶體管數(shù)量在整個四十五年間一直穩(wěn)定增加，大多數(shù)現(xiàn)代芯片的晶體管數(shù)量接近 20 萬億個。

圖 1：IC 晶體管數(shù)量隨時間的變化。

（數(shù)據(jù)來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count；數(shù)據(jù)可視化：OurWorldinData.org；Max Roser 根據(jù)CC-BY-SA授權(quán)使用。）

設(shè)計規(guī)則檢查 (DRC) 復(fù)雜度與設(shè)計中的多邊形數(shù)量成正比。雖然晶體管數(shù)量對前道工序 (FEOL) 層多邊形數(shù)量有直接影響，但它本身并不能說明多邊形總數(shù)的整體增加。中段工序 (MOL) 和后道工序 (BEOL) 層不僅顯示每層多邊形數(shù)量的增加，而且顯示先進(jìn)工藝節(jié)點通常需要額外的互連層。多邊形數(shù)量增加的多種來源意味著像 Calibre 套件這樣的驗證工具必須應(yīng)對超過摩爾定律增長率的多邊形處理量。

當(dāng)然，與晶圓代工廠工藝相關(guān)的設(shè)計規(guī)則不只是與設(shè)計中的總設(shè)計層數(shù)呈函數(shù)關(guān)系。隨著時間推移，由于更復(fù)雜的環(huán)境感知且對變化敏感的設(shè)計組件和工藝技術(shù)被整合到最先進(jìn)的工藝節(jié)點中，在任何給定層上必須檢查的問題類型也會增加。圖 2 顯示了其中幾項新工藝技術(shù)和設(shè)計敏感性，它們不僅需要更多的檢查，而且需要全新的檢查類型。該圖將層數(shù)的增加與所需檢查類型的增加相對照，說明了設(shè)計規(guī)則的數(shù)量和實現(xiàn)這些規(guī)則所需的運算是如何隨著工藝節(jié)點發(fā)展而增加的。每次檢查都需要很多行編碼來實現(xiàn)，圖上的平均 DRC 運算數(shù)說明了軟件為正確檢查設(shè)計而實際必須執(zhí)行的步驟數(shù)。

圖 2：不同工藝節(jié)點的新功能要求和 DRC 規(guī)則／代碼復(fù)雜度。

最終，驗證現(xiàn)代 IC 所需的計算能力和資源是由規(guī)則復(fù)雜度乘以設(shè)計的總多邊形數(shù)決定的。任何懂?dāng)?shù)學(xué)的人都會立即注意到，兩個指數(shù)增長的趨勢相乘會帶來相當(dāng)困難的問題需要克服。Mentor 意識到，為了解決這個似乎巨大無比的挑戰(zhàn)，我們要跳出傳統(tǒng)解決方案的思維，探求所有可能的途徑來擴(kuò)展和提高工具集的性能與生產(chǎn)力。Calibre 團(tuán)隊不斷為 Calibre 工具庫添加基本的新功能，以便為新的和擴(kuò)展的需求提供準(zhǔn)確的自動檢查，同時仍然讓公司能夠滿足其上市時間安排。

夯實基礎(chǔ)

應(yīng)對這種爆炸性計算挑戰(zhàn)的兩個最明顯要素是原始引擎速度和存儲器。盡管 Calibre 套件已經(jīng)存在了幾十年，但基礎(chǔ)代碼庫在不斷優(yōu)化，甚至完全重寫，不僅僅是為了添加新功能，還為了顯著提高其執(zhí)行現(xiàn)有功能的能力，以及利用現(xiàn)代分布式和云計算基礎(chǔ)設(shè)施。

圖 3 顯示了同一 Calibre? nmDRC? 運行集（運行文檔）的不同軟件版本的歸一化運行時間趨勢。每個數(shù)據(jù)點代表平均 20 個實際的客戶設(shè)計，反映了 Calibre 底層引擎這個單一因素（其他因素均保持不變）隨著軟件版本的更替所實現(xiàn)的改進(jìn)。在這三年的時間跨度內(nèi)，引擎速度提高了 80%。這一趨勢表明了 Mentor 優(yōu)化所有 Calibre 物理和電路驗證工具性能的方式。

圖 3：不同軟件版本的歸一化 Calibre 引擎運行時間趨勢。

存儲器使用率也是提高工具性能的關(guān)鍵因素。圖 4 比較了最近的兩個 Calibre nmDRC 版本在六種不同 7 nm 設(shè)計上的表現(xiàn)。隨著底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲器管理技術(shù)的改進(jìn)，存儲器使用率穩(wěn)定下降 40-50%。同樣，這一進(jìn)展代表了 Calibre nmPlatform 所實現(xiàn)的性能改進(jìn)。雖然 Calibre nmPlatform 在使用最少存儲器方面已經(jīng)處于業(yè)界領(lǐng)先地位，但 Mentor 仍在不斷尋求進(jìn)一步改進(jìn)的機會。

圖 4：Calibre nmDRC 工具最近發(fā)布的各版本在存儲器使用率方面的改進(jìn)比較。