Доставка энергии влияет на производительность на 7 нм

Сложные взаимодействия и зависимости на 7 нм и выше могут привести к неожиданным падениям производительности в чипах, которые не всегда могут быть обнаружены инструментами подписи.

Это не из-за отсутствия усилий. Количество времени, затрачиваемого на определение того, будет ли работать чип расширенного узла после его изготовления, неуклонно растет для нескольких узлов процесса. Дополнительные правила разработки обрабатывают все, от вариаций до мощности, и колода правил становится толще с каждым новым процессом. Тем не менее, сюрпризы все еще скрываются, когда кремний возвращается, даже когда все правила дизайна были соблюдены, и чип прошел все формы подписания.

Одна особенно проблемная область связана с сетью доставки энергии (PDN). Чтобы перевести его в его простейшую форму, сопротивление возрастает из-за уменьшения размеров. Это приводит к большему падению IR, что, в свою очередь, влияет на время, иногда неожиданным образом. Возвращаются чипы, которые не могут работать с намеченной тактовой частотой.

Методы, использовавшиеся в прошлом для смягчения проблемы такого типа, такие как чрезмерный размер или разделение конденсаторов, больше не работают или становятся слишком дорогостоящими. И методологии, которые в прошлом использовали методы статического анализа, вынуждены рассматривать динамический анализ только для того, чтобы найти некоторые проблемные области.

Сопротивление

«Когда вы хотите, чтобы на кремнии было так много функций, вам необходимо уменьшить размеры транзисторов, и каждый раз, когда вы уменьшаете размеры, сопротивление пропорционально возрастает», — говорит Джерри Чжао, директор по управлению продуктами в Digital and Signoff Group в Cadence. , «Размер влияет на то, что у вас больше падения напряжения в сети. Я подаю достаточное напряжение на транзисторы, чтобы они могли работать? »

Это становится особенно проблематичным в металлических слоях 0 и 1 при 7/5 нм. «Нижние уровни металла настолько тонкие, что они очень прочные», — говорит Жуан Жеада, главный технолог ANSYS. «Для верхних слоев действуют те же правила, что и раньше, но по мере того, как они становятся все ниже и ниже, они имеют гораздо более ограниченный доступ к железнодорожным ресурсам. Местное поведение начинает становиться немного непредсказуемым. С 7 нм и ниже, традиционные команды разработчиков, которые очень хорошо производили работающий кремний, начинают удивляться, потому что система доставки просто недостаточно хороша для этих узлов».

Это не единственное, что меняется с новыми технологиями. «Сделать это правильно на порядок сложнее, чем в предыдущих технологиях», — говорит Скотт Джонсон, главный технический менеджер по продукту в ANSYS. «У вас есть не только очень разрозненная система подачи энергии под толстыми металлами, но вы действительно значительно снижаете уровни напряжения».

Также появляются новые эффекты. «В то время как падение ИК-сигнала быстро становится доминирующим фактором при определении частоты микросхемы, агрессивное масштабирование межсоединений увеличило среднюю плотность тока и сопротивление на единицу длины проводов и индуктивности внутри микросхемы», — добавляет Магди Абадир, вице-президент по маркетингу Helic.

Чтобы усугубить проблему, решения могут создавать свои собственные проблемы. «Высокая сопротивляемость переходных отверстий требует использования дополнительных переходных отверстий, но в некоторой степени она снижается за счет использования сквозных опор», — объясняет Прасад Субраманиам, вице-президент по платформе AI в инфраструктуре eSilicon. «Повышенная плотность ячеек позволяет использовать более крупные логические блоки, которые, в свою очередь, генерируют большие изменения динамического тока. Это требует использования более плотной сетки мощности для смягчения. Поскольку все больше металлических ресурсов отводится для доставки энергии на более высокие уровни, необходимо обеспечить точный баланс между доставкой энергии и перегрузкой / временем маршрутизации».

Дополнительные неприятности

Непосредственная близость может быть не чьим-либо другом. «Определение того, что близко друг к другу, стало нечетким, потому что оно не только на общей железной дороге», — говорит Джонсон. «Сопротивление этих сетей очень высокое, поэтому, несмотря на то, что вы вкладываете много металла, гораздо больше металла, чем традиционно выделяется для энергосистемы, относительно маршрутизации и металла 1 и металла 0, ваше сопротивление теперь гораздо менее предсказуемо. , Вы можете находиться на расстоянии 4 рельсов от металла 0 и при этом быть очень чувствительными по отношению друг к другу для одновременного переключения событий ».

Понятие близости также становится менее предсказуемым. «В высокопроизводительных SoC среднее число переключающих транзисторов в каждом тактовом цикле продолжает увеличиваться, а соответствующие пики тока продолжают увеличиваться», — объясняет Абадир. «Точно так же времена подъема и падения продолжают ускоряться. Это означает, что ди / дт быстро увеличивается. Увеличение как ИК-капли, так и L di / dt индуцирует магнитные поля. Они передаются антеннами, естественно сформированными структурами расположения SoC, связующими соединениями и уровнями пакета. Это вызывает электромагнитную связь. Игнорирование этих эффектов магнитной связи может быть катастрофическим и, как видно из нескольких недавних опытов, может привести к дорогостоящим отказам кремния ».

Добавление аналога может ухудшить ситуацию. «Мы часто нуждаемся в другом наборе напряжения для плат ввода-вывода и соединительных колец по сравнению с внутренними цепями или, возможно, множеством наборов доменов напряжения на внутренних цепях», — объясняет Фионн Ширин, главный инженер по маркетингу продуктов в отделе аналогового питания и интерфейса Microchip , «Это усложняет маршрутизацию внутри чипа. Это усложняет требования к питанию для чипа, что добавляет дополнительные требования к уровню платы. Если мы проводим преобразование напряжения внутри устройства, то это лишняя головная боль при выработке электроэнергии ».

Эта точка зрения повторяется в отрасли. «Для различных аналоговых компонентов, таких как радиоинтерфейсы, высокоскоростные SerDes или ADC или DAC, необходимы дополнительные домены питания», — говорит Энди Хейниг (Andy Heinig), системный менеджер по интеграции в Fraunhofer EAS. «На данный момент очень трудно перенаправить все эти домены питания на ограниченное количество входов / выходов на интерфейсе пакета микросхем и одновременно направить эту мощность на ограниченное количество уровней в усовершенствованных вариантах пакетов. Обычно используемые подходы, такие как плоскости мощности, невозможны для некоторых доменов из-за ограниченного числа слоев. Иногда даже доступ к удару очень затруднен ».

В какой-то момент эта сила должна исходить от источника. «Чип-парень не решает все проблемы», — предупреждает Чжао. «Это особенно верно для власти. Металлические слои, провода начинаются от батареи и проходят через плату, упаковку, прокладку на матрице, а затем через массивный PDN. Удивительно, насколько сложна эта система доставки. Вы не хотите падать много напряжения. Вы не хотите потреблять много энергии без необходимости. Вы должны проанализировать это как единое целое ».

Но это включает в себя больше, чем просто власть. «Печатные платы должны обеспечивать электропитание высокоскоростных интегральных схем, устойчивых до частот, на которых внутренняя емкость устройства может нести нагрузку», — добавляет Тодд Вестерхофф, менеджер по маркетингу продуктов в подразделении системной платы Mentor, подразделения Siemens. «Высокочастотные токи, необходимые внутри микросхемы, не могут быть поданы через выводы корпуса устройства из-за их индуктивности монтажной петли, поэтому разъединение на корпусе и матрице должно удовлетворять требованию тока выше определенной частоты».

Идеальный шторм

По мере развития геометрии процесса одна вещь, которая перестала следовать закону Мура, это пороговые напряжения.

«Они практически не изменились с 16 нм», — говорит Джеада. «Но существует постоянное давление для снижения напряжения питания, потому что это один из самых простых способов снизить энергопотребление. Таким образом, у вас есть эти конкурирующие давления, где пороговое напряжение не изменилось, напряжение питания падает, у вас все меньше и меньше запас по каждой ячейке, и у вас есть это непредсказуемое поведение источника питания из-за металлов и местного сопротивления и одновременного переключения. Все это делает синхронизацию непредсказуемой, если только у вас нет возможности знать время относительно условий напряжения. Это не только то, что вы должны быть ловкими о том, как ведет себя ваша энергосистема. Вы должны знать влияние энергосистемы на время ».

С 7 нм, многие факторы, которые раньше были отдельными проблемами, стали взаимосвязанными, такими как время, мощность и тепло. «В прошлом, тепловые были тем, о чем вы бы беспокоились из-за физического разрушения и долгосрочных эффектов», — говорит Джонсон. «Обычно весь кристалл проходит через один и тот же температурный градиент, но это уже не так. Вы смотрите на температурные градиенты, которые влияют на время и пути, которые никогда не рассматривались ранее. Вы смотрите на индуктивные эффекты, эффекты связи от TSV. Что ты собираешься делать с EMI?

Кроме того, внутри этих микросхем намного сложнее, что затрудняет решение проблем в изоляции.

«Наш клиент пытается втиснуть больше функциональности в 7-нм чип, а чип становится слишком большим», — сказал Наврадж Нандра, старший директор по маркетингу интерфейсов IP в компании Synopsys. «Это заставляет людей задуматься над решениями типа« чип-чип-чип »или« чип-на-чипе »или« кристалл к кристаллу ». Кроме того, есть толчок для получения большего количества сигналов на периферии и для уменьшения количества питания / заземления. Это спор между инженером по обеспечению целостности электропитания и лицом, ответственным за этот выход, и архитекторами чипа, которые хотят, чтобы как можно больше сигнала и функциональности входило и выходило из чипа».

Анализ

Анализ начинается с наихудшего случая. «Существуют приложения, в которых мы можем принять некоторые обоснованные предположения относительно типичных или общих случаев использования и случаев ограниченного использования», — объясняет Шеерин из Microchip. «Мы можем провести анализ, специфичный для этих вариантов использования. В устройствах, в которых используется программное обеспечение, это заметно усложняется, потому что мы должны гадать, что будет делать программное обеспечение и какие вычисления будут более распространенными или менее распространенными ».

Избегание проблем требует тщательного анализа. «Для анализа мощности вам нужна активность», — говорит Чжао. «Деятельность исходит из двух методологий, без векторов или векторов. Вы можете загрузить систему или поиграть в видеоигру. Вот где можно увидеть реальную активность. Какое окно этой активности будет обеспечивать максимальную мощность, обычно определяет максимальную мощность на кристалле, самую высокую температуру на кристалле и худшие временные числа на кристалле ».

Но этого уже недостаточно. «Связь падения напряжения и статической синхронизации становится краеугольным камнем электрического отключения», объясняет Чжао. «Вы не можете подписать их отдельно. Даже если вы аннотируете каждый экземпляр эффективным источником напряжения вдоль критического пути и выполняете отключение, когда кремний возвращается, он все равно выходит из строя. Эта связь выходит за рамки простой аннотации падения напряжения — она ​​больше похожа на чувствительность критического пути к изменению изменения напряжения ».

Возможно, еще более смущает тот факт, что наихудший случай может быть не там, где вы думаете.

«Традиция до 16 нм заключалась в том, что вы проводили анализ электросетей в мощном углу», — предупреждает Джеада. «При низком напряжении система потребляет меньше энергии, напряжение падает ниже, и система становится очень чувствительной к любому небольшому падению напряжения. Вы работаете с большинством ячеек на пороге или около порога. Таким образом, очень маленькие изменения в каплях могут вызвать экспоненциальные изменения в задержках, которые могут вызвать неожиданности синхронизации в тех углах. На углах высокого напряжения вы столкнетесь между временем и температурой. Таким образом, вы не можете просто посмотреть на один угол синхронизации и применить его к другому углу силы или наоборот ».

Пути могут оставаться скрытыми. «Для некоторых путей традиционные методы заставят вас поверить, что это не критический путь», — подтверждает Чжао. «У него хорошие временные показатели. В действительности этот путь может быть очень чувствительным к изменению напряжения. Таким образом, паттерн вызовет появление этой чувствительности, и этот паттерн сгенерирует синхронизацию, что нарушает подпись».

Предотвращение

Что могут сделать команды дизайнеров? «Вы не можете проектировать энергосистему независимо от остальной части проекта, и, в частности, энергосистема и время, безусловно, больше не разъединены», — говорит Джеада. «Это не то, что можно безопасно спроектировать, имея временные поля. Вы должны проанализировать поведение энергосистемы в критических временных точках, а не анализировать энергосистему и мощность только с точки зрения того, какова моя пиковая мощность для этого проекта, и каковы мои большие события типа d / dt. Вы также должны проанализировать поведение энергосистемы в отношении времени и времени относительно энергосистемы ».

Это также требует понимания компромиссов между краткосрочным и долгосрочным воздействием таких факторов, как тепло. «Во многих случаях ответ заключается в том, чтобы встроить тепловую защиту по проекту, и тогда вы сможете приблизиться к своим граничным условиям, не заботясь о проблемах надежности или качества», — говорит Ширин. «Таким образом, если вы построите часть своей схемы для контроля температуры матрицы и дадите ей возможность корректно отключиться, то вы рассмотрели множество наихудших сценариев, и вы можете начать проявлять большую агрессию с остальными тепловыми схемами».

Чип, упаковка и картон — все это входит в состав единой системы. «Очень важно начать реализацию стратегии доставки энергии в самом начале проекта, а также включить пакет в исследование», — советует Хейниг. «Часто энергетическая стратегия разрабатывается без учета пакета. Ранняя совместная оптимизация пакета микросхем, обеспечиваемая комплектом для проектирования сборки, очень помогает избежать последующих проблем».

Автоматизация

EDA может полностью решить хотя бы некоторые из этих проблем, но все равно будет необходимость в людях в цикле.

«Когда вы делаете внедрение, вы должны учитывать потенциальные опасности из-за падения мощности», — говорит Чжао. «Падение ИК-сигнала или горячие точки можно уменьшить или устранить, выполнив локальную оптимизацию размещения. То же самое для времени. Таким образом, если есть проблема с синхронизацией, инструмент может выполнить локальный ECO, чтобы решить эту проблему. Что мы должны сделать как инструментальная компания, так это усовершенствовать технологию, чтобы дать больше прогноза в сочетании с технологиями машинного обучения, чтобы помочь пользователю в этом. В будущем автоматизация сможет позаботиться о большинстве проблем, но талантливые инженеры все равно будут нужны».

Джонсон соглашается: «Мы думали, что первоначальное сочетание функциональности и времени было неразрешимой проблемой в 2005 году, но решения были встроены в алгоритмы P&R к 2007 году. Возможно, на этот раз переход не будет таким быстрым, но я ожидаю, что система будет развиваться. Тем не менее, к тому времени, когда мы там, скажите привет 5 нм и 3 нм. Эта волна проблем будет с нами довольно долго. 7nm может догнать и автоматизировать некоторые из них, но 5nm представляет новую серию неожиданных проблем».

И это только одна из причин, почему масштабирование становится все труднее. «Мы никогда не сталкивались с такой сложной и сложной проблемой», — говорит Джонсон. «Отрасль ответит, но сложность на несколько порядков сложнее, чем для предыдущих поколений. Это первый раз, когда я увидел что-то такое междоменное».

Back to Top