與芯片實際利潤的縮減作斗爭

更小的工藝節(jié)點，加上不斷尋求在設(shè)計中添加更多功能，迫使芯片制造商和系統(tǒng)公司選擇哪些設(shè)計和制造團隊能夠獲得不斷縮小的技術(shù)利潤。

過去，利潤主要分配給代工廠和設(shè)計團隊，代工廠實施高度限制性的設(shè)計規(guī)則（RDR）以補償新工藝技術(shù)的不確定性，設(shè)計團隊在設(shè)計中內(nèi)置額外的電路以確?？煽啃?。RDR 為晶圓廠的各種工藝增加了余量，使晶圓廠能夠緩沖從畸形特征到工藝變化的所有情況，這對于新工藝來說總是比成熟工藝更容易出現(xiàn)問題。對于設(shè)計團隊來說，額外的電路可以在現(xiàn)場出現(xiàn)問題時提供故障轉(zhuǎn)移。

但從 finFET 節(jié)點開始僅僅在設(shè)計中增加余量就不再是一種選擇。晶體管密度的增加和電線的細化達到了總系統(tǒng)裕度（代工廠和設(shè)計團隊共同構(gòu)建到芯片中的總和）的程度，開始影響性能和功耗。簡而言之，通過細電線和額外的電路將信號驅(qū)動更遠的距離需要更多的能量，并且會降低性能。因此，代工廠開始與 EDA 公司更加密切地合作，通過更好的工具、越來越多地通過應(yīng)用 AI/ML 和更詳細的模擬，以及將這些工具與新工藝技術(shù)更緊密地集成來減少保護帶。

結(jié)果是不同團體之間爭先恐后地游說從設(shè)計到制造的流程中獲得任何可用的利潤。該裕度可以作為異構(gòu)集成中不確定性的對沖，以及各種類型噪聲和由于晶體管密度增加而導致的物理效應(yīng)的緩沖。它還改變了測試、計量和檢查的插入點，特別是對于安全和任務(wù)關(guān)鍵型設(shè)計，并將測試擴展到制造之外并進入現(xiàn)場，當數(shù)據(jù)路徑由于數(shù)據(jù)路徑退化而導致數(shù)據(jù)路徑退化時，可以使用余量重新路由信號。老化或潛在缺陷。在某些情況下，這也促使芯片制造商在經(jīng)過硅片充分驗證的技術(shù)或由于其固有冗余而更具彈性的技術(shù)之間進行選擇，而不是最新、最先進的技術(shù)。

PDF Solutions 總裁兼首席執(zhí)行官 John Kibarian 表示：「人們正在尋找容變性設(shè)計，以避免邊緣問題的影響?！埂改承┘軜?gòu)適合這樣做。因此，任何類似數(shù)組或本質(zhì)上并行的元素——比特幣挖礦芯片、GPU、TensorFlow 芯片或任何其他 IPU（智能處理單元）——相對于 CPU 或單個處理元素而言，往往具有可變性容忍能力。這些已經(jīng)占據(jù)了大部分工作負載，而工作負載現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)向本質(zhì)上更能感知變化的事物。這可以讓你免受晶圓廠變化的影響。但可變性最低的晶圓廠仍然占據(jù)了最大的市場份額，因為使用可變性較小的技術(shù)仍然會獲得更好的結(jié)果，從而生產(chǎn)出可變性較小的產(chǎn)品，并且你將因此獲得報酬?！?/span>

利潤率的降低也使現(xiàn)有制造工藝的改進變得更加重要，其中的關(guān)鍵工作之一是將來自一個或多個步驟的數(shù)據(jù)與工廠中的其他步驟集成在一起。

Tignis 總裁兼首席執(zhí)行官 Jon Herlocker 表示：「數(shù)據(jù)集成是其中的關(guān)鍵部分?！??！妇A廠內(nèi)部有很多數(shù)據(jù)孤島，特別是在前端和后端之間，因為很多可靠性和測試都發(fā)生在后端，而且很多時候數(shù)據(jù)孤島沒有連接到后端。前端數(shù)據(jù)孤島。我們在數(shù)據(jù)孤島方面看到的另一個有趣的問題是，先進的封裝正在變得非常重要。與前端相比，包裝方面存在的技術(shù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)含量較低，但擁有這種低技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的同一組正在開始做一些高科技的事情。所以現(xiàn)在他們問自己，『我們是否要采用我們的后端技術(shù)并將其升級到可以處理我們現(xiàn)在所擁有的復雜性的程度？』」

芯片設(shè)計和制造的每個流程都需要收緊，以彌補利潤率的下降。這包括制造和測試、計量和檢驗等明顯領(lǐng)域。

Onto Innovation 光刻產(chǎn)品營銷總監(jiān) Keith Best 表示：「如果你看看覆銅層壓板（這是先進封裝扇出的當前技術(shù)水平），你可能會擁有多達 20 層的 RDL?！埂改惚仨毚_保這些注冊是準確的。但是，當然，人們總是在努力獲得更好的 [計量和檢查] 分辨率性能。隨著分辨率越來越緊，覆蓋層也越來越緊，然后你就會擔心基材是否穩(wěn)定。對于覆銅層壓板，當固化這些層時，可以改變基材的形狀。隨著多層的變化，開口變得越來越難滿足，最終導致良率損失。」

這為制造中使用的新材料創(chuàng)造了機會，包括玻璃和不同的犧牲和永久粘合材料。但由于在準確理解材料與其他工藝結(jié)合時的表現(xiàn)方面存在差距，因此還需要留有余量。

「我們需要幫助的地方是弄清楚我們的材料在客戶流程中的具體表現(xiàn)，」Brewer Science 首席技術(shù)官 Rama Puligadda 說道。「如果我們能夠獲得加工條件，我們就可以模擬我們的材料在這些過程中的表現(xiàn)或表現(xiàn)。這將幫助我們預測故障并縮短反饋循環(huán)?！?/span>

更糟糕的是，今天使用的材料——就像許多制造工藝一樣——與五年前有很大不同。

「當今封裝中使用的材料在性能、穩(wěn)定性、質(zhì)量、環(huán)境兼容性和清潔度方面受到更高的標準，」普利加達說?！刚雇磥恚瑢⑿枰缓?PFAS 和 PFOS 的材料，并且需要更高水平的清潔度來支持混合粘合等工藝。包裝材料將向前端質(zhì)量要求轉(zhuǎn)變。」

更好的設(shè)計工具，但更多的孤立數(shù)據(jù)

在設(shè)計方面，分配保證金一直是一個挑戰(zhàn)，但在針對特定領(lǐng)域的異構(gòu)設(shè)計中，它變得越來越困難。這種異質(zhì)性使得芯片制造商能夠嘗試不同的選擇，并基于競爭的原因啟用工程變更訂單。但是現(xiàn)在的利潤率太低了，需要提前做更多的工作，這就是為什么設(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化和系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化最近得到了如此多的關(guān)注。決策需要在過程的早期做出，因為物理邊距正在影響從隨機過程到原子層過程的所有東西。

多家公司董事會成員、ARM 前首席執(zhí)行官西蒙·塞格斯 (Simon Segars) 表示：「在利潤率上堆放了很多利潤，而利潤率長期以來一直在增加?！埂窶L 在設(shè)計中的一些應(yīng)用提供了一個機會，可以跨越更大的界限進行優(yōu)化，擠出一些空白，并以稍微不同的方式理解故障機制?！?/span>

這引起了爭論，因為雖然設(shè)計團隊總是希望有更多的余量，但存在與物理相關(guān)的懲罰。至少在設(shè)計的前沿，更少的余量意味著更好的性能和功耗，但這也需要重新思考各種流程和方法。裕度需要在整個系統(tǒng)的背景下考慮，而不僅僅是單個塊或流程。

「每個人都希望降低利潤率，」Movellus 總裁兼首席執(zhí)行官 Mo Faisal 表示?！府斈悴榭?300 瓦及以上的處理器時，你實際上找不到封裝。也許你只需將其降低幾瓦，就可以從不可能變?yōu)榭赡?。做到這一點的方法是減少利潤。我在哪里超裕度，因為每一個超裕度都會增加 V min，從而降低電壓 - 功率 V2。所以這一切都會反饋回來。V 與時間相關(guān)，因此有一種推動力來擠出每一個可能的余量，而這一切都歸結(jié)為時間。但這需要系統(tǒng)視圖，而不僅僅是查看單個塊?！?/span>

3D-IC 的挑戰(zhàn)變得更加復雜。Synopsys 數(shù)字設(shè)計營銷高級總監(jiān)謝卡爾·卡普爾 (Shekhar Kapoor) 表示：「這是最可怕的部分，也是人們猶豫的原因?！埂！阜椒ㄕ摵凸ぞ咭呀?jīng)有了，我們今天實際上可以幫助你劃分設(shè)計。我們可以純粹從連接的角度告訴你什么是最好的分區(qū)。你可以將所有宏放在一個芯片中，你可以在此處擁有邏輯，然后你可以在此處擁有內(nèi)存，并且你可能會滿足你的大性能目標。但這是最佳方法嗎？你是否看過圖中出現(xiàn)的所有其他內(nèi)容？你對它的熱部分做了什么？你有熱裕度和功率裕度，并且必須將它們加在一起。但我們過去有 20 個不同的角落。現(xiàn)在，對于典型的單片設(shè)計，我們有大約 200 個時序角。因此，你必須考慮名義上最壞情況的所有這些組合，并且所有這些都具有巨大的乘法因子。這只是為了計時。你還面臨熱問題、老化問題、電力問題。如何延長時序簽核，不僅僅是點對點、觸發(fā)器到觸發(fā)器，還要考慮功率和熱量的影響。如果你能正確地做到這一點，那么至少你可以在一個地方處理利潤。」

西格斯同意了。「你可以擔心設(shè)計中『這個區(qū)塊』或『這個 IP』的余量。對于不同基板上的堆疊芯片或多個芯片，特別是如果它們來自不同的代工廠，每個人都會建立安全邊際。但如果你繼續(xù)這樣做，最終你就沒有任何表現(xiàn)。這可能會導致不同的構(gòu)建模塊特征的方式?！?/span>

這也增加了對電源完整性分析的需求，而這在十年前通常被認為不重要。Ansys 營銷總監(jiān) Marc Swinnen 表示：「現(xiàn)在它是一級簽核工具，因為電壓裕度已經(jīng)變得如此之小?！??！附档凸淖詈玫霓k法就是降低電壓，所以就有了超低壓工藝。但這意味著你會產(chǎn)生電壓降沒有余量的副作用。你已將電壓壓得如此之低，以至于你確實無法承受路徑上的任何損失，因此它們對電壓降變得非常非常敏感，并且 EM/IR 成為一級簽核工具。如果增加壓降裕度，則最大頻率會下降，因為現(xiàn)在必須針對較低的電壓進行設(shè)計。因此，你不僅沒有太多利潤，而且你創(chuàng)造的任何利潤都會直接影響你的績效底線。這意味著除非絕對必要，否則你真的不想把那個余量放在那里。盡管如此，人們?nèi)匀豢吹?F max 降低約 10% 的芯片比他們最初模擬的要高，而且他們無法完全獲得他們應(yīng)該獲得的頻率。最常見的原因是動態(tài)壓降。電壓降分析中存在一些逃逸，他們沒有看到在實際芯片中會導致影響時序的局部電壓降。由于他們沒有預料到的電壓降情況，他們發(fā)現(xiàn)頻率神秘地下降了 10%，這可能是由于動態(tài)電壓降造成的，動態(tài)電壓降已經(jīng)完全取代了傳統(tǒng)的靜態(tài)電壓降。面臨的挑戰(zhàn)是確定哪些開關(guān)組合是現(xiàn)實的，哪些開關(guān)組合會導致最嚴重的電壓降，以及如何減輕這些電壓降以及如何解決這些問題。但通過芯片的全面利潤來應(yīng)對這種情況的想法是行不通的。已經(jīng)成為一個非常困難的問題。

此外，基于保護帶不再是一種選擇的事實，裕度可能會決定哪種工藝（或者在先進封裝的情況下，哪種工藝）最適合特定的設(shè)計。「高級節(jié)點還不成熟，」Movellus 的費薩爾說?！鸽娋€中有更多的變化和更多的電阻，你需要通過提高電壓來付出代價。柵極電壓可以降至 0.6 伏，但即使對于 3 納米，也必須保持在 0.75 伏左右。這一切都將成為保證金?！?/span>

結(jié)論

如何分配保證金以及向哪些群體分配保證金正在成為一個重大挑戰(zhàn)。它不再局限于一個流程或流程的一部分。相反，邊際需要在一個系統(tǒng)的背景下考慮，有時甚至是一個系統(tǒng)的系統(tǒng)，并且需要將其視為跨越多個組的總數(shù)。

目標是提高可靠性，裕度會影響處理元件、存儲器、芯片架構(gòu)的選擇，并最終影響信號的完整性和系統(tǒng)的彈性。它是每個設(shè)備的核心，盡管它對于設(shè)計到制造鏈的不同部分并不總是顯而易見。如今的芯片行業(yè)正在努力應(yīng)對利潤減少的影響，以及如何彌補捷徑的損失。