西门子芯片设计推出先进的多物理场和人工智能技术

人工智能革命方兴未艾，也在推动我们改变各种产品设计和制造方式，包括数据中心、服务器和芯片等等。就连我们对芯片的定义也在发生变化，过去的芯片用的是模拟电路集成，而现在的芯片则是将多个裸片或多个芯片进行单个封装。尽管对这些先进芯片的制造已经有很多讨论，但对设计这些芯片的工具的演变却鲜有提及。在美国旧金山举行的年度设计自动化大会（DAC）上，电子设计自动化（EDA）领域的领军企业之一西门子公司将数字双核多物理场和人工智能技术引入旗下的 Calibre 和 Solido EDA 工具的工作，这些工具可用于复杂的芯片设计。

西门子是一家拥有 177 年历史的跨国企业集团，以前专门生产灯泡、电报设备、发电机和电动火车等各种产品。我们先来了解如今的西门子是什么样子。现在的西门子从根本上来说是一家技术解决方案公司，主要是将硬件、软件和行业专业知识结合在一起，为各种应用开发非常复杂的解决方案。西门子成功的关键在于通过内部开发和收购在软件上进行了大量投资。

投资的一个领域是 EDA 工具。西门子 2017 年收购了行业领导者之一的 Mentor Graphics，成为该领域的佼佼者。自这次收购以来，西门子一直在大力投资EDA的研发，并推出了二十多种新的 EDA 工具。但甚至在此之前，西门子已经在收购也仍在持续收购对未来  EDA 工具有价值的资产。西门子和之前的 Mentor Graphics 公司共收购了 100 多家公司，建立了业内首屈一指的 EDA 工具集。据西门子称，西门子 EDA 是第一个将多物理场仿真和数字孪生整合到 EDA 中的公司。

西门子 EDA 解决方案：从集成电路设计到电子系统（图：西门子）

 Solido 仿真套件

西门子在 DAC年会上首先宣布的是 Solido 设计解决方案系列推出 Solido 仿真套件。据西门子表示，Solido 是首批在 15 年前使用人工智能的 一款 EDA 工具。Solido 仿真套件的目标是应对在设计混合信号和定制芯片方面的挑战，或者更具体地说，设计集成电路（IC）的挑战，集成电路是芯片的核心。西门子所说的“定制集成电路”是指需要在晶体管层面进行开发的需求，而不是仅仅使用常见的门电路或IP模块设计一个应用特定集成电路（ASIC）或系统芯片（SoC）。

Solido 仿真套件包括三个新的人工智能加速器工具（Solido SPICE、Solido FastSPICE 和 Solido LibSPICE），三个工具是对现有 AFS、 Eldo SPICE 以及 Symphony 混合信号工具的补充。对于不熟悉 SPICE 这个术语的人来说，SPICE 是英文 Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis（集成电路仿真程序）的缩写。SPICE 可用于仿真各种电子电路特别是集成电路的行为。仿真有助于通过预测行为达到检查设计完整性的目的。Solido SPICE 则是针对大型的设计模型，还包括一个可用于确定电路值的新“求解器”以及新的射频和高速验证功能。Solido FastSPICE 包括新的分割技术和多分辨率技术，可以加快仿真速度。Solido LibSPICE 则是专为批量解决较小的集成电路设计而设计，优化了库 IP的运行时间。三个新工具都由基于半导体客户数据的人工智能模型提供支持。大多数 EDA 工具都是在客户所在地使用的，但工具经过了优化，可以在 AWS 和 Azure 云中工作，从而提供了更大的灵活性和更多资源。

西门子新推出的Solido集成电路验证平台及Solido仿真套件（图：西门子）

新的 Solido SPICE 的价值在于能够开发更精确的仿真，包括新集成电路设计的晶体管级别上的细节。除了这种精确度和分辨率以外，Solido SPICE 还能以之前仿真速度的 2 至 30 倍完成这些仿真。由于高级仿真通常需要数天时间才能完成，其改进在成本、时间和资源方面具有重大的意义。Solido 仿真套件可与 Solido Design Environment、Solido Characterization Suite 和 Solido IP Validation Suite 等其他 Solido 工具以及 Calibre 等其他西门子 EDA 工具配合使用，形成一个一个紧密整合的 EDA 集成电路解决方案。而且，Solido Sim 也可以与其他供应商的 EDA 工具一起使用。Solido Sim EDA 工具已经通过了英特尔和三星等多家代工厂的认证，确保了其集成电路设计的准确性和可制造性。

Calibre 3DThermal

目前业界大多数高端数据中心处理和加速器解决方案已经转向使用 2.5D 和 3D 设计芯片，现在从 PC 到工业物联网应用都在向这类设计过渡，目的是改善密度、差异化和上市时间方面的表现。热约束通常是这些设计的限制因素。不妨想象一下要将 PC 或服务器的大部分主要处理元件塞进一个集成电路封装中。性能、功率和密度的增加使得出现热设计问题的可能性也增加了。

为了解决三维集成电路设计的挑战，西门子还推出了 Calibre 设计验证平台的新功能。西门子增强了 Calibre 的三维集成电路热分析多物理场仿真功能，填补了三维集成电路设计验证中的一个空白。Calibre 集成电路验证套件中可以部署用于电子冷却仿真软件的西门子 Flotherm 分析工具，西门子进而在 Calibre 中集成了分析三维集成电路设计中单个裸片和三维特征的功能，例如用于电源分配和裸片互连的硅通孔 (TSV)。Calibre 是首款多物理场工具，设计人员可以通过热分析对早期设计选择进行分析，并提供最终的可输入电迁移和电压 (EM/IR) 工具的热验证。此外，Calibre 3DThermal 还内嵌了  Simcenter Flowterm 求解器，可以向Simcenter Flowterm提供数据，进而进行更精确的电路板和系统级分析。

Calibre 3D 热分析（图：西门子）

Calibre 3DThermal 可提供精确到晶体管级的彩色图和温度注释，可用于分析晶体管何时超出与整个芯片和 3D IC 设计相关的热规范。Calibre 3DThermal 的另一个优点本身是基于“左移”原则，这意味着 Calibre 3DThermal 可以在整个设计过程中使用，从最初的设计规格到最终的设计都可以使用。这样就可以进行连续分析和迭代。Calibre 3DThermal 与 Solido 模拟器一样可以在企业内部或云端运行。Calibre 3DThermal 提供的信息还可以与 MCAD 一起对封装设计进行协同设计和协同优化。

Calibre 3DThermal 能够提供芯片热分析不仅可以改进芯片和封装设计，还可以改进印刷电路板（PCB）、冷却解决方案、系统配置和最终产品设计。Calibre 3DThermal 与其他 Calibre 工具一样可以与 Calibre 内部的工具、其他西门子 EDA 工具以及其他 EDA 供应商的工具配合使用。据西门子及其客户称，Calibre 3DThermal 在分析和调试设计方面精确且易于使用。

复杂的价值链

人工智能和其他应用对系统和芯片性能需求在不断提高，设计下一代集成电路和电子系统的工具也在不断变化。西门子持续开发新的 EDA 技术和工具，去满足这些需求，新的 EDA 技术和工具涵盖了集成电路的整个生命周期，从概念、验证甚至集成到各种更复杂的系统。随着人工智能和数字孪生多物理场仿真技术的应用，集成电路设计的集成度和复杂性在不断改进和提高。今天能够实现的技术已经令人惊叹，但我们仍然不禁要问，在集成电路集成度超越目前极限之后，未来的十年我们将实现什么样的技术呢。