盡管有關(guān)摩爾定律瀕臨消亡或跟不上時(shí)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(diǎn)和日益復(fù)雜的設(shè)計(jì)。因此，各家公司幾乎無休止地在為下一節(jié)點(diǎn)做準(zhǔn)備，進(jìn)而過渡至新的節(jié)點(diǎn)。

對(duì)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(shí)，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(jì)公司專注于定義電路功能和性能目標(biāo)，同時(shí)確保他們擁有所需的設(shè)計(jì)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(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì) signoff。

雖然很少談?wù)摰剑娮釉O(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 行業(yè)也一直在為下一節(jié)點(diǎn)做準(zhǔn)備。隨著各種新工藝技術(shù)和新設(shè)計(jì)功能的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在越來越需要提高自動(dòng)化能力，以自動(dòng)利用一套經(jīng)過晶圓代工廠驗(yàn)證的工具進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)在不增加運(yùn)行時(shí)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(diǎn)的開發(fā)挑戰(zhàn)，以及Mentor, a Siemens Business 如何為每個(gè)“下一節(jié)點(diǎn)”準(zhǔn)備 Calibre?nmPlatform。

下一節(jié)點(diǎn)的計(jì)算挑戰(zhàn)

衡量半導(dǎo)體行業(yè)向前發(fā)展勢(shì)頭的經(jīng)典指標(biāo)是設(shè)計(jì)中的集成電路 (IC) 晶體管數(shù)量。摩爾定律描述的是經(jīng)驗(yàn)觀察：每片 IC 的晶體管數(shù)量以往大約每?jī)赡攴环＝陙?，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(yàn)證據(jù)持續(xù)表明事實(shí)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(shí)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(gè)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(gè)。

圖 1：IC 晶體管數(shù)量隨時(shí)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(jì)規(guī)則檢查 (DRC) 復(fù)雜度與設(shè)計(jì)中的多邊形數(shù)量成正比。雖然晶體管數(shù)量對(duì)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(diǎn)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(yàn)證工具必須應(yīng)對(duì)超過摩爾定律增長(zhǎng)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(jì)規(guī)則不只是與設(shè)計(jì)中的總設(shè)計(jì)層數(shù)呈函數(shù)關(guān)系。隨著時(shí)間推移，由于更復(fù)雜的環(huán)境感知且對(duì)變化敏感的設(shè)計(jì)組件和工藝技術(shù)被整合到最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)中，在任何給定層上必須檢查的問題類型也會(huì)增加。圖 2 顯示了其中幾項(xiàng)新工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)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(duì)照，說明了設(shè)計(jì)規(guī)則的數(shù)量和實(shí)現(xiàn)這些規(guī)則所需的運(yùn)算是如何隨著工藝節(jié)點(diǎn)發(fā)展而增加的。每次檢查都需要很多行編碼來實(shí)現(xiàn)，圖上的平均 DRC 運(yùn)算數(shù)說明了軟件為正確檢查設(shè)計(jì)而實(shí)際必須執(zhí)行的步驟數(shù)。

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

最終，驗(yàn)證現(xiàn)代 IC 所需的計(jì)算能力和資源是由規(guī)則復(fù)雜度乘以設(shè)計(jì)的總多邊形數(shù)決定的。任何懂?dāng)?shù)學(xué)的人都會(huì)立即注意到，兩個(gè)指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)相乘會(huì)帶來相當(dāng)困難的問題需要克服。Mentor 意識(shí)到，為了解決這個(gè)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(duì)不斷為 Calibre 工具庫(kù)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(dòng)檢查，同時(shí)仍然讓公司能夠滿足其上市時(shí)間安排。

夯實(shí)基礎(chǔ)

應(yīng)對(duì)這種爆炸性計(jì)算挑戰(zhàn)的兩個(gè)最明顯要素是原始引擎速度和存儲(chǔ)器。盡管 Calibre 套件已經(jīng)存在了幾十年，但基礎(chǔ)代碼庫(kù)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(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施。

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

圖 3：不同軟件版本的歸一化 Calibre 引擎運(yùn)行時(shí)間趨勢(shì)。

存儲(chǔ)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(gè) Calibre nmDRC 版本在六種不同 7 nm 設(shè)計(jì)上的表現(xiàn)。隨著底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器管理技術(shù)的改進(jìn)，存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)的性能改進(jìn)。雖然 Calibre nmPlatform 在使用最少存儲(chǔ)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(jī)會(huì)。

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