本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自semiengineering。
數(shù)據(jù)和工具的集成仍需要改進(jìn)，但更快的多物理模擬對(duì)于情境感知優(yōu)化和可靠性至關(guān)重要。
異構(gòu)芯片集成、先進(jìn)封裝，以及多行業(yè)領(lǐng)域的日益數(shù)字化，正在推動(dòng)數(shù)字孿生走向設(shè)計(jì)的前沿。
這些復(fù)雜組件中的挑戰(zhàn)在于，要弄清楚不同chiplet、不同封裝方法之間的潛在權(quán)衡，并且能夠快速做出決定，以便趕上市場(chǎng)窗口期。這包括顯而易見的功率、性能和面積/成本的權(quán)衡，同時(shí)也涉及到機(jī)械工程、各種制造工藝對(duì)不同材料的影響，以及設(shè)計(jì)不同部分時(shí)兼顧全局和細(xì)節(jié)的需求。
Cadence多物理系統(tǒng)分析產(chǎn)品高級(jí)產(chǎn)品管理組總監(jiān)Sherry Hess表示：“想想手機(jī)給我們的生活帶來的變革，以及當(dāng)今電動(dòng)汽車的普及。這些產(chǎn)品不僅是電子工程的杰作，也是機(jī)械工程的杰作。無論是可折疊手機(jī)還是飛行汽車，電子產(chǎn)品都呈現(xiàn)出新穎的形式。在這里，工程領(lǐng)域必須共存和協(xié)作，以打造出盡可能最好的最終產(chǎn)品。”
所有頂級(jí)EDA公司均已采用多物理場(chǎng)作為利用芯片以外的工具方式，重點(diǎn)關(guān)注大規(guī)模仿真。“跌落測(cè)試、空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)聲學(xué)效應(yīng)又如何呢？這些在很大程度上屬于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和機(jī)械多物理場(chǎng)現(xiàn)象也必須考慮在內(nèi)，”Hess說。“那么，跌落測(cè)試如何影響電氣性能？電子世界及其種類繁多的最終產(chǎn)品正在推動(dòng)我們超越純電氣工程，以更寬廣的視野開發(fā)異構(gòu)產(chǎn)品，以及異構(gòu)工程團(tuán)隊(duì)。”
在用戶生態(tài)系統(tǒng)中將物理過程和數(shù)據(jù)連接在一起稱為鏈接。Keysight ESI集團(tuán)首席產(chǎn)品和技術(shù)官Emmanuel Leroy表示:“在汽車設(shè)計(jì)中，將焊接連接到碰撞模擬意味著我們可以對(duì)焊接過程進(jìn)行非常精細(xì)的模擬，處理不同的參數(shù)，并將模擬結(jié)果考慮到碰撞中，以確定焊接是否會(huì)在碰撞中失效。這樣做可以調(diào)整和優(yōu)化我們想要使用的焊接類型、工藝參數(shù)和點(diǎn)焊數(shù)量。這打破了OEM組織中的孤島，引入并行工程概念，例如我們?nèi)绾螌⒅圃旌凸こ探Y(jié)合在一起進(jìn)行。”
汽車等許多行業(yè)已廣泛使用數(shù)字孿生來構(gòu)建機(jī)械系統(tǒng)。“變化是，人們正在將所有這些轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂秒娮赢a(chǎn)品的產(chǎn)品，”Synopsys產(chǎn)品管理和應(yīng)用工程副總裁Marc Serughetti表示，“他們使用電子產(chǎn)品是因?yàn)閺哪茉唇嵌葋砜此咝?、安全，或者具有升?jí)能力。所有這些產(chǎn)品都在向電子產(chǎn)品發(fā)展，更重要的是，向軟件定義產(chǎn)品發(fā)展。這使他們能夠改變功能，并在這個(gè)全新的商業(yè)模式中引入新的動(dòng)能。這就是市場(chǎng)的趨勢(shì)——軟件定義產(chǎn)品。因此，從這個(gè)角度考慮數(shù)字孿生，如果所有這些都是用電子產(chǎn)品完成的，為什么我們不在電子產(chǎn)品中加入數(shù)字孿生部分呢？如何將這些東西引入非常重要。所有這些都屬于一個(gè)控制系統(tǒng)市場(chǎng)，在這個(gè)市場(chǎng)中，你正在觀察物理世界中的某樣?xùn)|西并試圖控制它。如果你想驗(yàn)證或了解正在發(fā)生的事情，這意味著你必須在系統(tǒng)環(huán)境中模擬電子設(shè)備。”
數(shù)字孿生還為架構(gòu)探索打開了大門，工程團(tuán)隊(duì)可以同時(shí)檢查多個(gè)事物，了解它們?nèi)绾螀f(xié)同運(yùn)行，以及如果架構(gòu)的某個(gè)部分發(fā)生變化會(huì)出現(xiàn)什么。
“上一次我們?cè)贓DA中使用實(shí)體產(chǎn)品是Rubylith，但自那以后一切變成了虛擬和數(shù)字化的，”Siemens EDA產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Neil Hand表示。“我們已經(jīng)從特定領(lǐng)域的數(shù)字孿生發(fā)展到更具包容性的數(shù)字孿生，并且我們?cè)谥圃鞓I(yè)中建立了聯(lián)系，規(guī)模越來越大?，F(xiàn)在我們已擁有芯片級(jí)的數(shù)字孿生，然后是3D-IC，它開始將機(jī)械和熱引入其中，我們將進(jìn)入產(chǎn)品級(jí)。權(quán)衡是時(shí)刻存在的，假設(shè)今天有一個(gè)好情況，即有人想為一個(gè)獨(dú)特的應(yīng)用做一個(gè)定制的半導(dǎo)體。你是一家系統(tǒng)公司，你擁有世界上所有的錢，你頗具耐心。架構(gòu)已經(jīng)搭建，還需編寫一個(gè)規(guī)范交給IC組。你正在努力地沿著“V”走下去，每個(gè)人都在做出努力。然后你把它們重新組合在一起，希望它能正常工作。一旦我們擁有了更加互聯(lián)、完全可互操作的數(shù)字孿生，你就可以開始做出權(quán)衡了。”
圖片：使用數(shù)字孿生方法進(jìn)行產(chǎn)品生命周期管理。來源:Siemens EDA
這是一次巨大的轉(zhuǎn)變，由海量?jī)?yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)以及顯著增強(qiáng)的計(jì)算能力推動(dòng)。“這將是一場(chǎng)進(jìn)化，但同時(shí)也是一場(chǎng)革命，因?yàn)楝F(xiàn)在我們必須引入電子產(chǎn)品，而電子產(chǎn)品突然占了全部產(chǎn)品的50%，”Serughetti說道。“你不能忽視這一部分，在某種系統(tǒng)中連接這兩個(gè)世界至關(guān)重要。我們?cè)谄囆袠I(yè)也發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。今天，每個(gè)人都在談?wù)撈?，但它也發(fā)生在航空航天和國(guó)防以及工業(yè)領(lǐng)域。在電子產(chǎn)品中，你要做的事情有三件。你在控制某物，你在發(fā)送信息，或者你通過UI將信息傳達(dá)給某人。這些是基本功能，我們必須以安全的方式做到這一點(diǎn)。在這種情況下，你如何驗(yàn)證所有這些事情，尤其是電子部件？”
數(shù)字孿生和shift left
EDA公司一致認(rèn)為，數(shù)字孿生對(duì)于多行業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)步必不可少。“你必須擁有數(shù)字孿生，”Siemens EDA產(chǎn)品管理總監(jiān)John Ferguson說。“沒有它，你實(shí)現(xiàn)目標(biāo)就是盲目的，沒有shift left策略（是指在開發(fā)流程的早期發(fā)現(xiàn)并修復(fù)錯(cuò)誤，而不是在發(fā)布后的測(cè)試期間再發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤），你就無法做到這一點(diǎn)。它們相輔相成。當(dāng)涉及到系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)——特別是在3D中，以及涉及多物理場(chǎng)的3D方面，情況會(huì)變得特別棘手，因?yàn)樗惺挛镏g都有相互依賴性。
這里的基本概念并不新鮮。“我們提出數(shù)字孿生這個(gè)概念已經(jīng)有一段時(shí)間了，它們過去被劃分為可以獨(dú)立處理的方面，現(xiàn)在我們不能再這樣做了，”弗格森說。“熱影響應(yīng)力。力和熱影響電氣行為。但電氣行為會(huì)反作用于熱。這給數(shù)字孿生帶來了額外的負(fù)擔(dān)，你無法避免從這個(gè)角度看待世界，在這種視角下，你要了解錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用，并在過程中考慮到它們。這也意味著它的shift left。它不再只是‘一勞永逸’了，你必須把所有事情都考慮在一起。這就是我們?cè)谶@里試圖解開的整個(gè)概念。”
Cadence的Hess列舉最近推動(dòng)更高性能HBM和AI數(shù)據(jù)中心擴(kuò)展的例子。“這些高帶寬存儲(chǔ)器從幾層增加到12層。這些分層電子設(shè)備需要供電，而電力會(huì)產(chǎn)生熱量。我們需要了解熱量，因此必須解決在此過程中發(fā)現(xiàn)的熱完整性問題。但電子熱問題只是相互依賴鏈中的第一張多米諾骨牌。這些堆疊設(shè)備的供電引起熱應(yīng)力或翹曲怎么辦？隨著電子設(shè)備的使用溫度不斷升高和降低，這又會(huì)如何導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力甚至材料疲勞？這只是眾多例子中的一個(gè)。”
數(shù)字孿生對(duì)于芯片的采用也至關(guān)重要，其中可以交換不同的芯片以確定對(duì)多芯片系統(tǒng)行為的影響。
Alphawave Semi首席技術(shù)官Tony Chan Carusone表示：“目前正在為下一代AI加速器、CPU和網(wǎng)絡(luò)芯片開發(fā)新的多芯片設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)將最新的CMOS邏輯技術(shù)與內(nèi)存和連接芯片集成在一起，有時(shí)還會(huì)集成額外的外圍芯片，所有這些都集成在同一封裝中。它們突破了散熱、信號(hào)完整性、電源完整性、機(jī)械可靠性和邏輯性能的極限。每個(gè)因素都可能相互作用并影響，這使得優(yōu)化設(shè)計(jì)變得具有挑戰(zhàn)性。例如，信號(hào)完整性的改善可能會(huì)損害機(jī)械穩(wěn)定性，為了提高性能而重新劃分芯片間的邏輯可能會(huì)導(dǎo)致局部加熱問題，從而影響可靠性。”
值得注意的是，數(shù)字孿生是動(dòng)態(tài)過程的一部分。“這不是一個(gè)單一的步驟，”Ansys首席產(chǎn)品經(jīng)理Lang Lin指出。“在芯片仿真中，我們從仿真中獲得所有數(shù)據(jù)。但對(duì)于制造過程，情況有所不同。首先，準(zhǔn)備好基板并開始在其上焊接另一個(gè)基板，然后將溫度升高到大約300度以將兩個(gè)芯片連接在一起，冷卻下來后開始退火過程，溫度降至大概零下40度，接下來再將更多芯片放在另一個(gè)芯片上。數(shù)字孿生是一個(gè)很好的概念，可以逐一模擬每個(gè)步驟。它必須捕獲每個(gè)步驟結(jié)束時(shí)的狀態(tài)并將其用作下一步的初始條件，這對(duì)我們的傳統(tǒng)模擬工具提出了挑戰(zhàn)。”
這與傳統(tǒng)汽車或飛機(jī)等機(jī)械過程的模擬截然不同。“你將機(jī)械部件組裝在一起，發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，然后你要查看是否有任何翹曲或機(jī)械故障，”Lin說。“但那是過去的事情了。過去，我們處理的尺寸超過毫米級(jí)，是米級(jí)，甚至是好幾米?，F(xiàn)在我們已經(jīng)縮小到納米級(jí)別，這就需要新的機(jī)械建模方法和新的材料科學(xué)來構(gòu)建解決方案。目前最先進(jìn)的機(jī)械模擬能夠深入到微米級(jí)別。比如說兩個(gè)芯片相互連接，也許凸點(diǎn)間距約為40微米。你對(duì)凸點(diǎn)或微凸點(diǎn)進(jìn)行建模——成千上萬甚至數(shù)百萬個(gè)。通過在微米級(jí)別構(gòu)建整個(gè)模型，你可以看到連接問題。在接下來的五年里，問題會(huì)出現(xiàn)在芯片內(nèi)部，比如你需要查看Metal-1、Metal-2、Via-3的結(jié)構(gòu)，還有我這里的小晶體管，這是納米級(jí)別的層面。我們與代工廠緊密合作，實(shí)現(xiàn)這種機(jī)械模擬。這完全處于前沿領(lǐng)域。最終，你期望從你的小型模擬引擎或圖形用戶界面中看到過孔、硅通孔和電線的結(jié)構(gòu)模型。你將會(huì)看到這些結(jié)構(gòu)。”
用于數(shù)字孿生/系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)的EDA工具
要使所有這些工作都發(fā)揮作用，需要對(duì)EDA工具進(jìn)行一些改進(jìn)。當(dāng)今的EDA工具如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生/系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)的全部功能？
Synopsys的Serughetti表示，在這種情況下，首先要考慮的是需要什么，以及要解決的問題是什么。“如果我有一個(gè)超快的RTL仿真，可以讓我運(yùn)行Android或其他軟件堆棧，并在10秒內(nèi)執(zhí)行該仿真以啟動(dòng)Android，那該有多好？不幸的是，這不是現(xiàn)實(shí)，”他說。
“我們從事仿真工作多年，都知道有兩種范式——抽象和性能。這兩者不太合拍。如果太精確，速度就不夠快。如果速度快，就不夠精確。如果你看技術(shù)類型，范圍從有其自身用途的RTL模擬、仿真，一直到虛擬ECU，在虛擬ECU中，硬件幾乎可以抽象為只接收CAD消息。這就是我所關(guān)心的。這是對(duì)硬件的一種表示，表示非常抽象的掃描可以運(yùn)行得非常快。但是對(duì)于試圖查看CAN驅(qū)動(dòng)程序或CAN接口是否有問題的工程師來說，這還不夠好，不夠準(zhǔn)確。”
解決方案是更好的數(shù)據(jù)集成。“這一領(lǐng)域存在大量正在相互連接的技術(shù)，”Serughetti說。“因此，用例變得極其重要。你將有專注于性能和功率驗(yàn)證的人員，但他們不能在高度抽象的模型上進(jìn)行驗(yàn)證，需要一個(gè)能運(yùn)行夠多夠快軟件的仿真平臺(tái)來驗(yàn)證。而另一種工程師則專注于在該環(huán)境中測(cè)試應(yīng)用軟件，他們并不需要關(guān)心底層硬件，這樣他們就可以用軟件抽象的方式來表示電子產(chǎn)品。”
為了實(shí)現(xiàn)這一切，各種工具也需要協(xié)同工作。
“這是關(guān)鍵所在，因?yàn)檫@些事情錯(cuò)綜復(fù)雜，”Siemens的Ferguson說道。“我們沒有辦法一次性解決所有問題。你必須反復(fù)嘗試。我們每次都必須采用多重解決方案，這非常具有挑戰(zhàn)性，也非常困難。你該怎么做？你該如何同時(shí)以一致的方式處理你需要關(guān)注的所有方面？這非常令人生畏。”
Ferguson認(rèn)為，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)在識(shí)別尚待解決的問題中做得更好，但整合方面需要改進(jìn)。“我們?nèi)绾螌⑺鼈兘Y(jié)合在一起？我們?nèi)绾尾拍茏屆總€(gè)人都同意將這些東西結(jié)合在一起？如果每個(gè)人都有解決方案，但每個(gè)解決方案都給出了不同的答案，那么我們就處于不利地位。盡管如此，所有EDA提供商都在整合他們的解決方案，但很難認(rèn)定什么是正確的答案。”
通常，芯片制造商會(huì)將測(cè)試結(jié)果與已在市場(chǎng)上銷售一段時(shí)間的產(chǎn)品進(jìn)行比較。“你使用了一段時(shí)間，沒有看到它出現(xiàn)嚴(yán)重故障，并不意味著它就是準(zhǔn)確的，”Ferguson說。“有時(shí)這是一個(gè)非常棘手的情況。你必須確定什么是黃金標(biāo)準(zhǔn)。你可以用很多不同的方法對(duì)硅片進(jìn)行測(cè)量。你可以測(cè)量硅片的溫度，可以測(cè)量硅片的應(yīng)力，可以測(cè)量硅片的電氣行為。但所有這些都存在內(nèi)在的不準(zhǔn)確性，因?yàn)槟愕男酒诰A上的行為和波動(dòng)，你可能會(huì)得到一批不合格的產(chǎn)品。你怎么知道這是要出問題的芯片，而不是同一晶圓或不同晶圓批次上的另一個(gè)芯片？我們都處于這種茫然的嶄新階段，我們得到的答案可能不是完全不同的，但仍有差異，你如何決定要依賴哪一個(gè)？我不知道我們?nèi)绾谓鉀Q這方面的問題。最終，這取決于你的制造商。他們決定什么是他們的參考或黃金標(biāo)準(zhǔn)，你必須相信他們正在做正確的工作，無論什么工具，只要符合他們的精度要求并且經(jīng)過認(rèn)證，都要使用它，但仍然要做好防備。一路上我們可能都錯(cuò)過了一些東西，我們要重新回到繪圖板上。”
大局觀
芯片行業(yè)認(rèn)識(shí)到數(shù)字孿生的價(jià)值，特別是在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)和與特定領(lǐng)域相關(guān)的異構(gòu)組件中。現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是優(yōu)化所有工具，使其以更快的速度協(xié)同工作，同時(shí)保持與過去相同或更好的準(zhǔn)確性。
Keysight的Leroy表示：“我們從客戶那里看到，目前更多的是模擬和人工智能之間的協(xié)作。我們經(jīng)常談?wù)摶旌先斯ぶ悄芎突旌蠑?shù)字孿生以及加速模擬，但模擬的民主決策實(shí)際上來自于人工智能和模擬的混合。我們不想像過去那樣從零開始，獲取大數(shù)據(jù)，投入大量人工智能，然后就不再關(guān)心物理了。你想要擁有智能數(shù)據(jù)，所以你需要物理，然后用數(shù)據(jù)和人工智能來增強(qiáng)它，以做出正確的決策。”
這一切都發(fā)生在電氣、機(jī)械和CFD的融合中。Alphawave的Chan Carusone認(rèn)為，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的全面實(shí)現(xiàn)，將有可能全面審視復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)成本、功率、性能和可靠性的共同優(yōu)化。但從當(dāng)下到未來，還需要大量工作才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
