使用 Synopsys SLM IP 监控、测试和修复芯片

在一个属于先进深亚微米技术的时代，我们再也不能忽视芯片内部发生的情况了。我们必须监控硅的状况，测试其是否正常运行，并尽可能在现场进行维修。这就产生了庞大的需求，急需硅生命周期管理 (SLM) 过程，以及支持获得最佳设备结果的芯片内监控解决方案。本文概述了当今大型复杂半导体器件对完整监控、测试和修复 (MTR) IP 解决方案最重要的需求，并提出 Synopsys 的解决方案，帮助满足这些要求。

从设计到制造和现场部署，直至使用寿命结束，整个生命周期都需要高度可靠的硅芯片。推动可靠性要求的因素包括是芯片更易受到电压和温度变化的影响、更高的散热问题风险以及更加复杂的制造工艺。

汽车、军用航空航天 (mil-aero) 等众多应用中的电子器件都在恶劣的环境条件下运行。芯片必须经受住极端的温度、湿度、振动和辐射的考验，而所有这些都会降低性能和可靠性。SoC 被迫承担越来越多的计算性能和工作负载，承受了额外的压力，因而可能比预期更早老化和发生故障。

芯片必须以不影响可靠性的方式运行。确保可靠性是完整 SLM 解决方案最重要的目标之一。

图 1 展示了 Synopsys SLM 解决方案从设计到现场分析的完整范围。整个过程要依靠芯片内工艺、电压/毛刺和温度 (PVT) 监控器在生命周期的各个阶段提供反馈，以便了解芯片内发生的情况。必须分析和存储从监控器收集的数据，以便进行更多分析，既包括每个设备的历史记录，也包括现场部署的芯片“群”的历史记录。这些深度见解带来了许多好处，包括更好的设计、优化的制造、更高的良率和更长久的现场可靠性。

使用 Synopsys 芯片内 SLM PVT IP 的过程可概括为四步：

• 监控：在设计阶段早期集成的嵌入式监控器和其他 SLM 基础设施
• 传输：从监控器收集数据并传输至 SLM 数据库
• 分析：在整个设备生命周期分析监控器数据
• 行动：基于分析，在任何生命周期阶段实时做出有见地的决策

由于监控器驱动了整个四步流程，因此需要各种嵌入式 PVT IP 来实现所有期待的收益。所需的 IP 类型分为三大类。

第一类是环境 IP，设计用于在许多应用中的恶劣条件下测量硅的运行状况。PVT 监控器和传感器收集有关硅运行环境的基本指标。

第二类是结构化的SLM IP，这是一个广泛的类别，包括用于检查晶粒间信号质量的信号完整性监控器和用于跟踪逻辑路径延迟的路径余量监控器 (PMM)。PMM 特别有价值，因为时序性能下降通常是指示老化或环境条件引起的硅问题的一个指标。Synopsys 自检和修复 (STAR) Memory System™ 是用于测试、修复和诊断嵌入式存储器的全自动解决方案。还有监控器支持内置自检 (BIST) 技术，以检查功能是否正常运行。

对于 3DIC 和其他多晶粒设备而言，SLM 的挑战尤为严重。晶粒也称为小芯片，可以使用具有不同老化效应和故障模式的多种技术进行制造。硅中介层、有机基板等先进的封装技术带来了新的制造复杂性，而且晶粒之间的连接额外产生了可能的故障点。半导体行业联合推出了通用小芯片互联通道（Universal Chiplet Interconnect Express™，简称“UCIe™”）标准，统一了 2.5D 晶粒间连接规范。Synopsys 为 UCIe 监控、测试和修复 (MTR) 提供 SLM IP。

与晶粒间互连相关的另一个规范是 IEEE 1838 三维堆叠集成电路测试接入架构标准。Synopsys SLM IP 支持此标准，能够同时测试个体晶粒和晶粒间的互连。高速晶粒间通道 MTR 流程可使用冗余通道进行重新配置和修复。该流程同时支持逻辑芯片到逻辑芯片的互连和逻辑芯片到存储颗粒芯片之间的互连，符合物理 (PHY) 层要求，如双倍数据速率 (DDR) 和高带宽内存 (HBM)。

最后一类是 SLM 功能监控器 IP。时钟和延迟监控器 (CDM) 可测量一个或多个信号边缘之间的延迟，从而实现时钟占空比质量检查、内存访问时间跟踪和数字延迟线的校准测试。最后，高速访问和测试 IP (HSAT) 支持通过现有功能接口进行自适应高带宽测试。图 2 总结了所有三个类别中可用的 Synopsys SLM IP。

图 1 所示全面 SLM 解决方案需要多个 IP 产品组合。在设计中插入 SLM IP、把这些IP集成到测试流程中、把数据收集到SLM 数据库，以及在每个阶段进行分析需要高级电子设计自动化 (EDA) 软件。Synopsys 提供所有必要功能，支持将 SLM IP 加入 Synopsys TestMAX ALE、Synopsys Avalon、Synopsys SysNav 和 Synopsys Silicon.da 产品。

将 Synopsys 丰富的SLM IP产品组合与 Synopsys SLM 软件解决方案相结合，可以在整个生命周期内为芯片管理提供最有力的行业支持。这些部件结合在一起，为单个片上系统 (SoC) 和多晶粒系统提供完整的解决方案。图 3 显示一个可能包含许多 SLM IP 元件并连接到各种分析工具的 SoC。将数据传输到云可以实现 AI 驱动的芯片群级数据分析，包括根据许多类似设备的结果预测现场故障。

SLM 必须在硅生命周期的每个阶段发挥更大的作用，这一点在业内几乎没有争议。现代芯片技术的方方面面都更有可能随着时间的推移引发可靠性问题，而与此同时，终端应用也需要更多的可靠的芯片。只有完整 SLM 解决方案提供的可见性和见解才能解决这些挑战。SLM 可以通过检测问题并采取有意义的纠正或调节措施，尽可能修复并尽早预测硅故障，来延长SoC 的使用寿命。整个过程由芯片内 SLM IP 驱动，而且只有 Synopsys 拥有提供完整解决方案所需的产品组合和支持软件。敬请访问 Synopsys 硅生命周期管理网页，了解更多信息。