770亿晶体管的挑战：如何让汽车SoC耐用15年?

由于终端智能化水平越来越高，作为系统核心，SoC的集成度和规模也愈发庞大。同时，终端系统中包含的芯片数量也在成倍增加，系统复杂度的提升加大了SoC的运行挑战。

这一情况在汽车市场最为突出，车规级芯片主要用于安全和关键任务应用，从设计到部署的整个周期里，需要有功能和性能监控来应对汽车SoC的功能安全和网络安全等问题。因而，新思芯片生命周期管理(Silicon Lifecycle Management)成为优化复杂芯片的关键手段，让这些芯片能够在汽车、数据中心、工业控制等实际工作场景中运行更长的时间，应对日益增长的设计成本挑战的同时，满足实际工作环境下的功能和性能要求。

作为全球排名第一的芯片自动化设计解决方案和芯片接口IP供应商，同时也是信息安全与软件质量的全球领导者，新思科技提供集成多个产品和功能的芯片生命周期管理（SLM）平台，提供从芯片到系统的深刻洞察力。

当前，芯片生命周期管理（SLM）所提供的功能正逐渐被集成到芯片设计中，在整个芯片生命周期内，尽可能多地收集数据，从而改善芯片和系统的可靠性和运行表现。

从设计到应用，可靠性挑战日益严峻

研发人员正尝试将更多样的功能融入到一颗芯片中，以实现更高的集成度和效率，芯片复杂度也随之上升。这个复杂度体现在很多维度上，包括先进的工艺让单颗芯片里面有数百亿、上千亿的晶体管数量；异构集成的架构让芯片成为AP、BP、NPU、ISP等功能单元的集合；同时，承载这颗芯片运转需要一个复杂的PCB系统。以英伟达DRIVE Thor芯片为例，它是一颗能够提供2000 TOPS算力的车规级SoC，内建晶体管数量达到770亿个。如下图所示，为了释放DRIVE Thor芯片的性能，DRIVE Thor的设计非常复杂。

图 1：基于英伟达DRIVE Thor的系统（图源：英伟达）

然而，只是完成芯片设计和系统设计是不够的。在实际应用场景中，可靠性和安全性保障有时候比性能更重要，尤其是在汽车驾驶场景中，从功能实现、车规级认证，到系统实现和现场应用，所面临的挑战贯穿了芯片从设计制造、测试乃至实际工作场景的整个生命周期。

在功能实现方面，高级辅助驾驶（ADAS）和自动驾驶功能升级对芯片的要求越来越高，就像上述提到的英伟达DRIVE Thor芯片，基于台积电4nm工艺，内部晶体管数量超过700亿，这让芯片对制造工艺缺陷是非常敏感的。

与此同时，先进的自动驾驶芯片还会采用2.5D/3D封装和Chiplet技术来构建异构计算体系，在汽车E/E架构集中化发展过程中，这种异构计算体系非常重要。为了减少ECU用量，只是芯片集成度提升还不够，芯片本身还要能够提供虚拟机等软件技术，再加上承载自动驾驶算法，整体上实现了基于软硬件融合的边缘计算大系统。

为了实现这些功能，芯片必须满足特定的行业标准。车规级是一项比消费级和工规级更严苛的标准，要求芯片在设计之初就将车规级标准纳入其中，以确保功能安全。车规级芯片的使用寿命要求一般是15年；AEC-Q100用于可靠性测试，其中0级耐温要求是-40℃~+150℃；ISO26262是芯片功能安全认证，安全气囊、防抱死刹车、动力转向等系统需满足ASIL D等级。在这些严苛的标准下，冗余设计所带来代价非常高昂，需要考虑的因素也非常多。

以芯片使用寿命为例，对于电动汽车而言，驾驶只是其中一个场景（预设平均每天驾驶时间约为2-3小时），还有相当一部分使用寿命消耗在充电场景下。一般情况下，这个时间消耗很容易超过4万小时。因而，如下图所示，车规级芯片在15年的寿命周期内，运行时长可能会高达13万小时。很多车规级芯片还会有被过度使用的预期，通常设计寿命是标准寿命的两倍以上。

图 2：电动汽车运行时间的可能性分析

冗余设计还需要考虑未来汽车功能的升级，OTA升级已经成为智能汽车提升竞争力的必要手段，这需要在芯片设计时留出足够的空间和灵活性，以支持后续的功能升级。

AEC-Q100和ISO26262等认证保证了车规级芯片设计的基本要求，但相应的挑战仍然在不断涌现，由芯片设计转为系统设计和现场应用。系统设计层面，自动驾驶芯片要想正常工作，一方面要为各种传感器和数据流留出足够的接口，另一方面需要配套复杂的外围电路，包括电源、接口和隔离保护等。系统中提供不同功能的元器件的老化曲线是存在一定差异的，这也会带来整体系统可靠性和安全性方面的挑战。

最后的挑战来自现场应用。在如此漫长的运行周期里，尚未完全测试的物理环境很可能会突破车规级芯片的可靠性极限，包括高温、应力等。以高温为例，当前越来越多的地方开始出现历史性极值的高温天气，使得车规级芯片可能持续工作在一个不利于散热的高负荷环境中，这很明显会进一步加速芯片的老化，甚至导致在产品生命周期内出现功能失效的情况。

为提升车规级芯片在设计、制造、部署和使用过程中的可靠性和稳定性，汽车电子委员会(AEC)零缺陷(Zero Defect)框架推出了AEC-Q004，这套标准允许芯片供应商能够在最佳实践列表中进行选择，以持续改进芯片设计的各个关键环节，可以有效地确保汽车电子产品在高温、低温、湿度、机械振动和电磁干扰等各种极端条件下的稳定性和可靠性，从而实现终端产品零缺陷。

图 3：汽车零缺陷框架示例

重要的话讲三遍，芯片和系统的复杂度正在显著提升，要满足AEC-Q100和ISO26262认证，以及AEC-Q004零缺陷框架，进而让车规级芯片在整个生命周期内都具有出色的可靠性和安全性，IC从业者所面临的挑战越来越大。需要一种新方法来监测如何开发、操作和维护基于硅的系统，芯片生命周期管理（SLM）所提供的功能变得不可或缺。

芯片生命周期管理（SLM）是一种基于大数据管理芯片的流程，数据来源于工艺/电压/温度(PVT)传感器、可测性设计(DFT)和内置自测试(BIST)资源、结构和功能监控器、嵌入式片上分析。基于以上产品和解决方案，芯片获得的信息会被传输至某个特定位置，进行进一步的分析、控制和优化。

图 4：芯片生命周期管理（SLM）数据来源

芯片生命周期管理（SLM）将成熟的芯片测试基础架构、经过验证的IP、供应链安全、芯片生命周期管理方法和生态系统平台等结合在一起，让芯片的设计、制造和使用变得更加稳健，主要优势包括：

实现更优的PPA设计

快速提升制造良率

缩短芯片上市周期

优化系统的功耗和性能

提升现实应用中的可靠性和稳定性

需要特别指出的是，芯片生命周期管理（SLM）对研发下一代芯片很有帮助，能够让设计人员清晰地了解这一代芯片在早期边际退化、离群值检测和故障预测时具体发生了什么。

芯片状态检测和结果分析是芯片生命周期管理（SLM）重要的组成部分，这种检测和分析跨越了芯片整个生命周期，可以持续探索硅性能的边界，为下一代芯片设计研发做好准备。

图 5：硅状态检测和修复的边际分析

新思科技提供领先且完备的芯片生命周期管理（SLM）平台

芯片生命周期管理（SLM）是一个相对较新的、基于大数据的设计和部署管理流程，能够在整个芯片生命周期内获取和分析数据，并提供可操作的见解。考虑到产品全生命周期数据来源和平台构成，就会发现实施产品全生命周期管理具有一定的门槛，越是复杂的SoC和系统，这个门槛越高。

为了帮助设计人员更好地部署、实施产品全生命周期管理平台，并从中持续获得可操作性的见解，新思科技提供集成多个产品和功能的芯片生命周期管理（SLM）平台，与新思科技全面的EDA工具和领先的IP方案相结合，帮助开发人员应对复杂芯片在开发和部署等方面的挑战，以实现最佳的硅成本、质量、健康和性能。

如下图所示，新思科技芯片生命周期管理（SLM）平台能够帮助了解芯片在每一个阶段的操作指标，不仅是芯片自身，还包括嵌入式环境、系统架构和功能监测器，收集相关数据并进行持续的分析。片上部署的监控电路不仅可以从ATE、芯片和系统中获取数据，并将数据发往片外，还可以被系统级测试捕捉，甚至是传送到云端。这些数据最终被保存在相同的数据库中，云分析技术和嵌入在片内的AI引擎将会根据这些数据持续提供可操作的优化建议。

图 6：新思科技芯片芯片生命周期管理（SLM）平台

从产品层面来看，新思科技芯片生命周期管理（SLM）平台包含了监视器IP、传感器IP、设计分析、产品分析、现场分析、智能数据提取和系统性能优化等丰富的产品组合。其中，SLM IP又可以细分为PVT监视器IP、PMM监视器IP、时钟和延迟监视器IP、UCIe监视器IP和各种高速访问和测试IP等。

这里主要解读一下PVT监视器IP。PVT监视器IP负责工艺、电压和温度，可以跟踪片内局部电源电压的动态波动，直接测量硅温度来检测芯片上的局部热点和冷点。新思科技PVT监视器IP覆盖28nm到3nm工艺阶段，可以帮助这些芯片实现最佳的PPA平衡，以带来显著的性能和可靠性优势，典型案例包括自适应电压调节(AVS)和动态电压与频率方案(DVFS)等。

目前，新思科技PVT监视器IP已经经过SGS-TÜV Saar认证，满足ASIL-B功能安全等级，符合AEC-Q100 2级标准，可以用于复杂的汽车芯片设计。

图 7：PVT监视器IP部署

在设计和产品分析方面，Avalon软件系统是用于故障分析、设计调试和低成品率分析的下一代CAD布局和故障隔离标准，能够促进产品/设计团队和FA（故障分析）实验室之间更紧密协作。新思科技的SysNav将Avalon的能力进一步扩展到了封装系统，可应用于PCB、多芯片模块以及堆叠式芯片应用。

借助Avalon软件系统和SysNav，开发人员可以优化芯片质量和良率，并改善板级的产品缺陷检测和设备调试。此外，在设计方面，新思科技芯片生命周期管理（SLM）平台还提供TestMAX和Fusion Compiler RTL到GDSII解决方案，以及Fusion Design Platform等，帮助开发人员基于硅数据来优化设计。

当芯片部署到现场应用之后，新思科技监视器IP和传感器IP将继续发挥作用，这些数据可以被芯片上的AI引擎以及云分析技术快速处理，实时分析和优化系统方案，并提供预测性维护、老化识别和故障检测等功能，不仅能够降低功耗、延长设备生命周期，还能够提供贯穿整个设备生命周期的可追溯性。

借助新思科技芯片生命周期管理（SLM）平台，上述提到的汽车芯片的设计和部署挑战都会迎刃而解。当然，这些芯片生命周期管理（SLM）方案不仅适用于汽车芯片设计和应用，对于数据中心、工业控制和高端消费电子等领域的芯片和方案而言，也在逐渐变得不可或缺。

为了让芯片能够更好地发挥性能，并具有出色的可靠性，各个行业都在持续优化芯片设计的标准，汽车行业是较为典型的，拥有AEC-Q100、ISO26262、AEC-Q004等一系列标准，以求车规级芯片能够在整个生命周期内稳定运行。

随着芯片和系统复杂度提升，想要让芯片满足相关标准已经变得愈发困难，满足标准的芯片被部署到现场之后，很多未测试的物理挑战正成为大麻烦，这在汽车驾驶应用中是不被允许的。

新思科技凭借全面的EDA工具、领先的IP方案，以及在云技术方面的前瞻布局，推出了行业领先的芯片生命周期管理（SLM）平台，为复杂芯片的设计和部署赋能。新思芯片生命周期管理（SLM）的出现，能够为开发人员提供各种设计帮助。当芯片部署之后，芯片生命周期管理（SLM）还能够持续提供可操作的优化建议，帮助开发人员应对设计和应用中的可靠性挑战，实现对产品全生命周期的数据及性能管理。（文章转自TechSugar，感谢关注）