【应用】Keysight为高性能 AI 芯片提供全面的仿真验证和生产测试

在研发设计之前，如能对芯片的各项性能进行全面的仿真验证，将可能的问题尽早在软件仿真阶段解决，那么芯片研发进程一定能在同行中名列前茅；而在芯片生产制造过程中，新的器件、新的工艺、新的材料的引进虽然提升了芯片的性能，也为产品的制造过程提升了难度。更全面的生产测试同样是不可或缺的一环！

下面我们就来看看 AI 芯片的最前端仿真要点和最末端的生产测试要点。

高速互联仿真平台

高速数字电路信号与电源完整性设计是高性能 AI 芯片互联成功的关键。是德科技 EDA 部门的 ADS、EMPro、SystemVue 软件，提供了从高速串行接口芯片建模到封装，PCB，连接器，背板等完整链路的信号与电源完整性仿真解决方案。

AI 芯片涉及很多高速串行接口， 如 PCIE、NVLink、CCIX、100G/400G 以太网等。目前，业界公认的高速串行接口芯片信号完整性仿真模型是 IBIS 开放论坛提出的 IBIS  AMI 模型。

是德科技 SystemVue 软件可以对高速接口芯片中采用的去加重、均衡器、时钟恢复等算法进行建模，并可以生成 AMI 模型供之后的信号完整性仿真。

在发射端可以实现的功能包括伪随机码序列生成、信道编码、去加重以及抖动注入等，在接收端实现的功能包括接收端抖动模拟、时钟恢复、以及多种均衡器。AI 芯片封装设计尺寸小，密度高，结构复杂，需要全波三维电磁场求解器进行仿真分析。EMPro 软件提供有限元法和时域有限差分法两种算法，用于键合线、连接器、封装等三维结构的电磁场仿真。

高速 PCB 是高速数字电路链路的主要组成部分，也是信号完整性设计的重点。在信号完整性设计的前期阶段，需要进行 PCB 的阻抗分析，以建立布线设计约束，确保走线满足系统阻抗要求。同时，需要进行层叠设计，在满足硬件性能的前提下选用较少的层数以降低成本。阻抗计算需要考虑随频率变化的 PCB 材料特性，金属的表面粗糙度，甚至加工时走线的梯形横截面等特性。

ADS 中的 CILD 阻抗计算工具可以考虑以上因素，并包含参数扫描、统计计算功能，可以快速进行阻抗分析及综合， 并能够给出衰减因子、等效 RLGC 参数等结果。在 PCB 板的前仿中，过孔是设计的一个难点，工程师需要关注过孔结构的很多问题， 例如反焊盘的尺寸、背钻的必要性等。

是德科技 ADS 软件提供了过孔设计工具 Via Designer，如下图所示，可以快速高效的建立多样的过孔模型，并使用FEM仿真器进行仿真。ADS 提供针对 PCB 版图 S 参数提取的 SIPro 三维电磁场仿真器。它使用独有的混合算法，可以快速提取信号走线（包含过孔）与地平面和电源平面的频域模型。

这一频域模型可以直接转换成 ADS 的原理图，用于电路仿真， 如时域瞬态（Transient）仿真， 通道（Channel）仿真， DDR 总线仿真等。

针对高速串行总线分析， ADS的通道仿真器(channel simulator)添加了两个全新的模式来避免耗时的瞬态仿真。充分利用通道走线、过孔、焊线、连接器等线性时不变 (LTI) 的特性，无需在每个时间步进使用瞬态求解器的粗略近似方法，从而在几秒之内确定超低比特误码率 (BER) 轮廓，快速、全面地探索可能的设计。

通道仿真器将信号完整性眼图分析速度提升到新的水平，对于每秒数千兆位传输的高速链路，每分钟可进行百万比特的仿真吞吐量，远高于传统的 SPICE 仿真。

使用 ADS 软件中的通道仿真器可以进行各种预加重/去加重和均衡算法的评估，ADS 软件中提供了各种标准的 Serdes 编解码模块，DFE，FFE模块，并可以结合物理传输信道进行全链路系统级仿真，提高仿真精度。

针对 DDR4 及未来更高速率的 DDR5 总线， ADS 提供专门的 DDR 总线仿真器以及一致性仿真台。

而在 Demo 出来之后，还可以基于实物产品和仪表的测试数据，通过是德科技高速数字和信号完整性仿真验证平台进行基于测试数据的仿真验证过程，测试的结果有可能和仿真的结果不完全一致。

这是由于蚀刻、电镀等工艺上的偏差可能造成高频特性的不一致。此时可以根据测试的结果对金属表面粗糙度、介质特性等进行修正。同时，也可以借助仿真验证平台去拓展测试的能力和调试的手段。一方面，可以通过ADS软件实现去嵌入或是虚拟探针，移除测试夹具的影响，把测试端面移到电路的测试点上。另一方面，可以通过仿真拟合测试的结果，在ADS中再现测试的现象，并依托仿真验证平台的分析能力去定位问题，指导调试，实现虚拟实验室的功能。

ADS 能够从是德科技的 VNA、TDR、PLTS 及示波器等导入测试数据以供分析。同时可以把波形输出到 FlexDCA ( 与是德科技采样示波器分析软件一致 ) 上进行测量，并在此基础上可以把仿真和实测的结果进行对比。

大规模并行半导体参数测试平台

随着工艺尺寸的不断缩小，芯片制造工艺也越来越复杂，引入了很多的新器件结构、新材料，使得在芯片制造过程中必须设计更多的测试结构来监控工艺，因此 WAT(Wafer Acceptance Test) 测试时间就变得越来越长。对于研发来说，这将明显增加新工艺的研发周期，对于量产来说，显著增加每片晶圆测试时间，所以不仅需要购买更多的半导体参数测试机台也增加了测试机台在无尘室的占地空间，大大增加了测试成本。

KEYSIGHT P9001A 大规模并行参数测试系统是配备“真正”参数逐引脚测量模块的高吞吐量并行参数测试仪，可以明显提升测试速度，降低测试成本。P9001A 经过专门设计，可执行超快速且精密的直流测量、电容测量和其他参数测量，如环形振荡器测量。

该系统支持高达100 个逐引脚测量通道。每个通道都包括逐引脚电源监测单元（SMU）、宽量程逐引脚电容测量单元（CMU）、逐引脚频率测量单元（FMU）和逐引脚脉冲生成单元（PGU）。逐引脚序列发生器和并行控制软件使用户能够进行高效的并行测试。

该系统还拥有一个全面漏电保护的开关矩阵，用于建立共享的测试资源连接。共享仪器可通过十六个输入端口集成到系统中，这些端口预先多路复用到四个辅助总线中，然后连接至 100 个输出引脚的任意引脚。所有通道都可自行调整，并可单独配置以驱动电流或电压，以及同时测量电流或电压。驱动线和传感线可以单独路由至输出引脚。一个特别的附加引脚专门作为卡盘连接使用。

P9001A 软件环境提供了强大的功能和直观的用户界面，支持开发并行测试应用。并行测试序列和流程控制功能使用户可以灵活而轻松地定义并行测试序列。下图是搭配全自动探针台的 P9001A 大规模并行参数测试系统。