本文翻譯轉載于：Cadence Blog

作者：Vinod Khera

對于最新的微型半導體制作工藝而言，制程工藝變化和器件不匹配帶來了深遠影響。復雜制程工藝也會影響器件生產的可變性，進而影響整體良品率。 蒙特卡洛（MC）仿真使用重復的隨機抽樣方法，將工藝變化與電路性能和功能聯系起來，從而確定它們對良品率的影響。然而，要進行全面的設計空間研究，設計團隊需要完成大量的 MC 仿真才能達到必要的可信度。

一個芯片上的數十億個元件，再加上工藝變化和器件不匹配，我們能運行數十億次統計仿真并耗費大量時間進行驗證嗎？

運行數百萬次甚至數十億次仿真所需的時間和運算資源是不切實際的，因此，我們迫切需要在提高效能的同時滿足統計準確度要求。使用 Cadence Spectre FMC Analysis，Broadcom 取得了良好的成果，并且顯著提升了生產力。此外，Spectre 仿真的多處理器模式在保證準確度的同時進一步縮短了運行時間。本文將探討 Broadcom 借助 Spectre FMC 實現的準確度和性能提升，內容摘錄自 Broadcom 團隊之前的 CadenceLIVE Silicon Valley 2024 演講。

為何制程工藝變化總是捉摸不定？

半導體代工廠通過開發統計模型來準確形容器件級別的變化。這樣便可通過兼顧工藝變化的設計技術來最大程度降低集成電路（IC）故障的可能性。MC 仿真可使用這些統計模型來識別最壞情況并確保良品率符合預期。然而，這些仿真需要耗費大量的計算資源和時間，對于芯片上經常使用且具有低故障要求的設計模塊來說更是如此，例如標準單元、存儲位單元和模擬 IP（ADC、DAC、PLL 和帶隙基準等）。

盡管仿真工具和大規模計算資源（如多核和云計算）方面已經非常先進了，執行計算密集型 MC 仿真仍然不切實際，多數情況下根本不可能完成。對于高 sigma MC 分析來說更是如此，這里可能需要超過 10 億次仿真才能獲得高良品率。例如，用 25 億個樣本來確認6σ。

為了在更少的仿真次數和更短的時間內準確估計良品率并判斷最壞情況，半導體行業需要使用 EDA 工具。要實現快速、精確的高 sigmaMC 分析，具有一流仿真能力的先進 EDA 解決方案必不可少。

解決方案：

Cadence Spectre FMC Analysis

為了克服上述挑戰，Cadence 開發了 Spectre FMC Analysis，將其作為 Spectre Simulation Platform 的一部分，引領行業步入高性能 SPICE 精確電路仿真。

它使用人工智能增強技術，以便：

●在不影響統計準確度的情況下，盡早、盡快地估計良品率

●發現統計異常值和最壞情況樣本

●與傳統 MC 分析相比，在大幅度減少的仿真次數內提取有用的統計信息

Broadcom 為何選擇采用

Spectre FMC Analysis？

Broadcom 需要的解決方案必須滿足以下要求：能夠準確地測量和驗證變化模型、具有成本效益并且能無縫整合進現有的 IC 設計流程。此外，還必須具備可擴展性，以滿足當下和未來的設計需求。通過與 Cadence 合作，Broadcom 將 Spectre FMC Analysis 用于與時序相關的準確度和分析項目中。

該產品為 Broadcom 帶來的好處包括：

●在高 sigma 下獲得高精度

●應用現有 License Pool 的能力

●命令行界面 (CLI) 友好

●輕松整合進現有的 IC 設計流程 Distributed processing

●分布式處理

●易于擴展

●變化準確度認證

案例研究：

Non-Gaussian 分布

為了研究 Spectre FMC 的準確度和性能，Broadcom 團隊提出了一個具有 long tail 的案例，該案例不是嚴格的 Gaussian 分布。

結果表明，Spectre FMC 有能力處理這樣充滿挑戰的分布。通過對比傳統 MC 和 Spectre FMC 的性能數據，Broadcom 團隊獲得了更大的信心。

如果不使用 Spectre FMC Analysis，處理每個作業需要 12 小時，總運行時間約為 245 個月的 CPU 時間，需要使用 1000 個 Spectre License。使用 Spectre FMC，每個作業平均需要 0.2 小時左右，需要使用 300 個 Spectre License，總 CPU 時間也縮短為 14 個月。在 Spectre FMC Analysis 的助力下，Broadcom 在一個月左右的時間內完成了該項目，證明該產品能夠帶來顯著的性能提升。

Cadence Spectre FMC 優勢

在與 Broadcom 現有 IC 設計流程無縫整合的同時，Spectre FMC 還大大提高了準確度和性能。在適當的許可條件下運行時，Broadcom 每個 CPU 處理每個作業的效率提升 60 倍左右。即便減少 License 的數量，該產品帶來的優勢仍然十分顯著，整體性能大約提高了 18 倍。Broadcom 提到，使用 Spectre FMC 的主要優勢在于提升精確度和顯著縮短運行時間。確保有足夠的 License Pool 至關重要。此外，該產品的命令行簡單易用，且具有強大的可擴展性，非常適合用于高效探索整個設計空間。