解决日益增加的芯片复杂性的可扩展方法

作者:以色列Mellanox Technologies后端设计总监Anton Rozen

不断增加的设计复杂性和多物理场挑战阻碍了片上系统(SoC)设计团队的生产力。Mellanox的工程师采用新的解决方案，利用大数据技术和灵活的计算资源来提供电子设计自动化功能。

不断增加的设计复杂性和多物理场挑战阻碍了片上系统(SoC)设计团队的生产力。工程师希望电子设计自动化工具不仅可以减少运行时间，还可以为他们提供更大的灵活性，以严格检查和改进他们的设计。Mellanox的工程师采用新的解决方案，利用大数据技术和灵活的计算资源来实现这一功能。

高速网络是数据中心连接的骨干。极端带宽和超低延迟网络解决方案对于下一个时代的数据中心至关重要，以有效处理来自新兴人工智能、5G和自主应用的指数级增长数据。由于芯片尺寸和复杂性与上市时间的压力不断增加，从事网络系统芯片(SoC)设计的公司面临着挑战。网格的复杂性和栅极的绝对数量每年都在急剧增加，网络IC团队必须设计、分析和磁带尺寸为400-500毫米或更大的芯片。

随着Mellanox将设计推进到超深亚微米节点，设计的复杂性以及对更灵活和可扩展的设计工具解决方案的需求也在增加。

各种多物理场效应(包括功率和热可靠性)的交叉耦合增加，对FinFET设计闭合提出了重大挑战。多物理场分析对于克服这些挑战至关重要，以便设计出非常大、复杂和耗电的芯片，尽管设计空间越来越小，项目进度也越来越紧。

面对这种复杂性，设计团队必须拥有能够提供能力、灵活性、速度和准确性的软件工具。

Mellanox是为服务器、存储和超融合基础设施提供端到端以太网和InfiniBand智能互连解决方案和服务的领先供应商，对这些挑战和权衡了如指掌。设计团队必须通过最有效地利用计算资源和工程时间来管理和验证设计。为此，该团队依靠Ansys RedHawk-SC软件。万博

寻找能见度

Mellanox团队需要快速的周转时间和精确的电压降，以确保其高度复杂的网络处理器的电源完整性和可靠性。但他们也在寻找早些年在其他大型、高复杂性设计中没有找到的东西:分析的灵活性和速度。由于设计已经从45nm节点的1亿个网络发展到16nm节点的近3.5亿个网络，Mellanox估计，7nm节点将需要处理近4.5亿个集成电路网络。

可伸缩性比较:软件的发展如何极大地减少了日益复杂的soc的运行时间

这种进化需要工具的能力来匹配。十年前，在45纳米工艺节点中，工具架构通常是单片的，团队被限制在一台可以同时处理多达10亿个电源和接地节点的机器上。(节点是提取的电网和地网中任意两个要素之间的连接点。这些元件可以是导线的寄生电阻、电感或电容或连接到导线上的器件实例引脚。节点数是功率完整性分析中常用的指标，用于预测设计尺寸;它直接影响分析的运行时和内存需求。)

在那些日子里，工具容量是个问题。当对电源完整性和可靠性进行多次分析时，每次运行(串行而不是并行)可能需要超过24小时。这需要大型服务器和相当大的资源分配来完成分析。更糟糕的是，系统偶尔会在管理复杂性方面遇到麻烦，甚至崩溃。然后，分析将不得不从头开始。

第二代出现了，以跟上复杂性。这一代利用分布式计算，最多可以扩展到32台机器，最多可以处理40亿个节点。这是令人满意的，直到ic变得更加复杂。

扩展到大数据需求

为了提供见解并使团队能够优化其设计，Mellanox需要一个灵活的、高容量的解决方案，该解决方案可以扩展到大数据挖掘和分析。工程师们于2018年开始使用Ansys Re万博dHawk-SC。RedHawk-SC是最新的SoC电源完整性和可靠性签名平台，基于Ansys seasscape(世界上第一个用于电子系统设计和仿真的定制大数据架构)。万博seasscape提供了每个核心的可扩展性，灵活的设计数据访问，即时的设计启动
还有很多其他的能力。

万博Ansys seasscape大数据弹性计算架构

成功的关键之一在于红鹰sc的弹性计算能力。弹性计算有助于并行(或串行)处理场景，具体取决于可用的CPU内核数量。

海景架构是弹性计算的核心。它依赖于分布式数据/文件服务，因为数据可能分散在许多位置。在此之上是基于MapReduce概念的分布式数据分析层，这是所有大数据分析的基础。这在概念上将数据(映射)分割成称为碎片的小块，并将每个碎片集中进行分析。可以在服务器可用时将处理分布到服务器上，根据需要分布到尽可能多的服务器上。

电力问题

这些类型的网络处理器面临的挑战是总功耗和功耗。与电池供电的设计不同，Mellanox使用的设计类型可以消耗超过200w的功率。因此，工程师必须完成完整的设计分析-精确的增量功率完整性和可靠性分析-同时考虑高功耗，而不牺牲精度或时间。

为了加快全芯片红外跌落仿真，可以利用电网卷起方法来抽象电力和地面网络的中低水平金属。这种抽象可以用于全芯片模拟。这使得团队可以在单元级别上工作，然后跳到顶层，对全芯片设计进行全面分析

一个使用Ansys RedHawk-SC卷取方法进行电源完整性仿真的示例，该方法用于提取电网的中低万博水平金属层，以实现快速、增量的全芯片分析。

做一个全芯片的平跑是资源密集和耗时的。通过使用大数据分析技术执行增量分析，设计师可以创建特定块的详细视图，并抽象其他所有内容。这使他们能够更容易地执行更快的分析并进行更快的工程变更订单(ECO)修复。

万博Ansys RedHawk-SC凭借其弹性计算能力和大数据分析能力，为工程师提供了克服之前一些挑战所需的可视性。该团队特别赞赏RedHawk-SC的自我维持稳定性，可以监控自己的工作，并在工作失败时更新工作。

该团队还利用RedHawk-SC的弹性计算和mapreduce支持的分析来获得关键见解。MapReduce为设计师提供了一个鸟瞰视图，并非常顺利地将热点归零。它提供了强大的功能，例如在不到两分钟的时间内打开GUI以查看完整的芯片数据库，并轻松导航不同的区域，就像谷歌地图的功能一样。

此外，它还支持更强大的计算灵活性。借助RedHawk-SC的弹性可扩展性，曾经需要大量计算资源的大型芯片区域可以分解成非常小的块进行分析。架构的本质允许这些元素通过公司的计算资源进行分布。这样可以最大限度地利用硬件资源，优化成本。

静态电压比较散点图