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使用芯片传感器和PVT监视器IP对芯片的寿命周期进行管理
Synopsys 硅生命周期管理战略项目总监 Stephen Crosher
简介
随着工艺技术尺寸的缩小和电路栅极密度的增加，设计人员正在将更复杂的功能集成到他们的片上系统 (SoCs) 中，以保持竞争优势。为了在设计中更好地使用先进工艺技术，系统架构师选择了芯片内传感器和监控器，以便能更好地了解器件制造、工艺可变性和现场动态变化条件。随着硅在小几何结构中的可变性不断增长，再加上硅器件在运行过程中的不确定性，决定了探测芯片内的工艺、电压和温度 (PVT) 条件显得至关重要。
芯片内监控器和 PVT 传感器在为先进工艺技术开发的 SoCs 的测试、调试和评估中起着关键作用。此外，在电路设计和时序工具中，芯片内监控器可用于从模型到硬件的关联。PVT 传感器可以跟踪片内局部电源电压的动态波动，可以直接测量硅温度来检测芯片上的局部热点和冷点。
芯片内监控器和 PVT 传感器可以作为嵌入的子系统，指导生产过程中自动测试设备做出的决策和任务模式中的电源管理方案以及整个产品生命周期的分析（图 1）。嵌入芯片内的监控器和 PVT 传感器可为 40 纳米至 3 纳米的平面和 FinFET 硅技术带来显著的性能和可靠性优势。
图 1：芯片内 PVT 监控子系统为检查芯片内部变化条件提供了易于集成的解决方案
芯片内传感器和 PVT 监控器 IP 提供分布式的、反应迅速和准确的器件了解
在整个芯片中策略性地放置多个传感器，可进一步提升准确、低延迟和可靠的芯片内监控技术的优势。确定设备的制造方式将界定其在硅生命周期中的功耗和处理信息的方式，甚至能到决定其退化和最终失效的程度。增加传感器分布数目可实现实时结温感测、监测供电电压水平以及评估平面布局设计中固有的 IR 压降。随着对芯片内部了解的提高，设计人员可以确定功率控制方案的效果以节约功耗或优化数据吞吐量。嵌入式传感器决定了优化方法的有效性和效能，如自适应电压调节 (AVS) 和动态电压与频率方案 (DVFS) 等。
使用案例
在一下领域，设计人员可以受益于嵌入式传感和后续的传感器数据分析：
设计和测试优化 – 在产品测试期间对硅进行评估，并在 PrimeShield 内反馈和调整时序模型，从而改进设计校准。对于可靠性敏感的应用，PVT 和热感知产品测试可提高对故障向量计算单元的诊断和增强对已知合格芯片的筛选（图 2）。
图 2：PVT 感知产品测试
现场优化 – 硅工艺分析和芯片内部条件的实时测量促进了先进的性能和功耗优化方案，包括增强的 DVFS 和 AVS 方案。
预测性维护和故障 – 从部署到使用寿命结束，连续监测设备的分析解决方案有助于减少意外的现场故障。
Synopsys DesignWare 芯片内传感器和 PVT 监控器 IP
Synopsys 的 DesignWare® PVT 监控 IP 为设计流程中的集成提供了低风险解决方案，具有用于测试和任务模式操作的标准接口。Synopsys 提供的技术被半导体设计界广泛采用和部署，包括一整套易于使用的可交付成果。适应能力强、灵活的 PVT 监控配置用于需要高可靠性的数据中心、AI、高性能计算、汽车和 5G 消费类应用。
易于集成的芯片内 PVT 监控子系统由一系列与中央传感器管理中心（PVT 控制器）通信的传感器组成（图 3）。灵活的 PVT 子系统支持 PVT 监控、扩展传感和分析解决方案，是 Synopsys 硅生命周期管理 (SLM) 平台的基石。SLM 平台建立了端到端解决方案，能够在硅芯片的整个生命周期内（从制造到寿命结束）连续地评估和测量芯片的内部状况。SLM 平台中的 PVT 监控器可提供有意义的了解芯片使用寿命期间的关键性能、功能、可靠性、安全和安保挑战。SLM 平台能够优化和分析 SoC 生命周期内所有阶段的操作活动。当多个团队参与复杂硅解决方案的开发和交付时，包括设计、启动、测试以及系统的最终用户，SLM 平台提供了无与伦比的对芯片内部的了解。
图 3：传感器管理中心 (SMH) 和嵌入式传感器架构
总结
先进节点技术发展的物理限制界定了我们能够满足的电子产品和系统需求的边界。随着先进节点上的前沿 SoCs 的发展，现在嵌入式传感已经不再是可选项或“可有可无”的选择。通过不断发展的芯片内传感器技术，设计人员可以在硅内创建有用的数据来源。芯片内部的数据越精确和有意义，设计人员就越能更好地了解芯片，从而在其电子系统的整个硅生命周期内提升性能、优化功耗和拓展可靠性。