Tổng quan
Sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo (AI), điện toán hiệu năng cao (HPC) và các hệ thống điện tử hiện đại đang đặt ra yêu cầu ngày càng cao đối với hiệu năng tính toán và mật độ tích hợp bán dẫn. Trong khi đó, tốc độ cải tiến theo định luật Moore đang dần chậm lại, buộc ngành công nghiệp bán dẫn phải tìm kiếm những phương pháp mới để tiếp tục nâng cao hiệu suất hệ thống.
Chipletz, một startup công nghệ có trụ sở tại Austin, Texas, đã phát triển một giải pháp đóng gói bán dẫn tiên tiến mang tên Smart Substrate. Công nghệ này cho phép tích hợp nhiều chip khác nhau trong cùng một package nhằm tối ưu hiệu năng hệ thống cho các ứng dụng như AI, điện toán hiệu năng cao và các nền tảng điện tử thế hệ mới.
Để hiện thực hóa tầm nhìn này, Chipletz đã lựa chọn các giải pháp thiết kế và mô phỏng từ Siemens Digital Industries Software, bao gồm Xpedition và HyperLynx. Trong đó, HyperLynx đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và xác minh toàn vẹn tín hiệu (Signal Integrity) và toàn vẹn nguồn (Power Integrity) cho các thiết kế package có độ phức tạp rất cao.
Thách thức
Các kiến trúc bán dẫn hiện đại đang chuyển dần từ mô hình chip đơn (monolithic chip) sang multi-die và chiplet architectures nhằm vượt qua những giới hạn của công nghệ sản xuất chip truyền thống.
Công nghệ Smart Substrate của Chipletz được phát triển để hỗ trợ tích hợp nhiều chip trong cùng một package với các đặc điểm:
- Kết nối tốc độ cao giữa các die bán dẫn
- Hỗ trợ các giao tiếp bộ nhớ băng thông cao (HBM)
- Tích hợp nhiều miền điện áp khác nhau
- Tối ưu hiệu năng cho các hệ thống AI và HPC
Tuy nhiên, thiết kế các hệ thống package phức tạp như vậy đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật lớn.
Các yêu cầu thiết kế bao gồm:
- Xử lý các hệ thống kết nối với hàng nghìn nets
- Đảm bảo toàn vẹn tín hiệu cho các giao tiếp tốc độ cao
- Tối ưu hệ thống phân phối nguồn trong package
- Tạo các cấu trúc power và ground phức tạp
- Tự động hóa quy trình thiết kế và kiểm tra thiết kế
Đặc biệt, việc đảm bảo signal integrity và power integrity trong môi trường thiết kế có mật độ kết nối cực cao là một thách thức lớn đối với các kỹ sư và công cụ thiết kế.
Thiết kế cho nền tảng Smart Substrate của chúng tôi đặt ra nhiều yêu cầu thách thức đối với cả kỹ sư và công cụ thiết kế. Đây là những tiêu chí quan trọng khi chúng tôi đánh giá các nhà cung cấp EDA.
Theo Michael Su, CTO của Chipletz
Giải pháp
Sau quá trình đánh giá nhiều nền tảng EDA khác nhau, Chipletz đã lựa chọn các công nghệ thiết kế package bán dẫn của Siemens, bao gồm:
- Xpedition Substrate Integrator
- Xpedition Package Designer
- HyperLynx
Trong hệ sinh thái này, HyperLynx đóng vai trò trung tâm trong việc phân tích và xác minh hiệu năng tín hiệu và nguồn cho các thiết kế package phức tạp.
HyperLynx cung cấp các công cụ mô phỏng tiên tiến giúp các kỹ sư Chipletz:
- Phân tích Signal Integrity cho các kênh truyền dữ liệu tốc độ cao
- Đánh giá Power Integrity trong hệ thống phân phối nguồn
- Phát hiện nhiễu xuyên âm giữa các đường tín hiệu
- Tối ưu topology và routing của các kết nối tốc độ cao
- Xác minh thiết kế trước khi sản xuất
Nhờ khả năng mô phỏng chính xác và hiệu suất xử lý cao, HyperLynx cho phép các kỹ sư làm việc với những thiết kế có quy mô lớn và độ phức tạp cao mà vẫn đảm bảo hiệu quả trong quá trình phát triển sản phẩm.
Triển khai
Để đánh giá khả năng của các công cụ Siemens, Chipletz đã thực hiện một thiết kế thử nghiệm có độ phức tạp rất lớn dựa trên công nghệ Smart Substrate.
Thiết kế này bao gồm:
- Một SoC kích thước lớn
- Bốn stack bộ nhớ HBM
- Các tụ decoupling tích hợp trong substrate
- Kích thước package khoảng 50 mm × 65 mm
Độ phức tạp của thiết kế thể hiện qua các thông số:
- Hơn 8.000 nets kết nối giữa các die
- Khoảng 1,2 triệu vias
- Hơn 180.000 chân linh kiện
- BGA với 2.800 balls
Trong môi trường thiết kế như vậy, việc đảm bảo hiệu năng tín hiệu và hệ thống phân phối nguồn là yếu tố quyết định.
HyperLynx được sử dụng để phân tích các kênh tín hiệu tốc độ cao và xác minh hệ thống nguồn, giúp đội ngũ kỹ sư Chipletz phát hiện và giải quyết các vấn đề tiềm ẩn ngay trong giai đoạn thiết kế.
Nhờ đó, các kỹ sư có thể tối ưu cấu trúc kết nối giữa các chip và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trước khi bước vào giai đoạn sản xuất.
Kết quả
Việc áp dụng các công nghệ thiết kế và mô phỏng của Siemens đã giúp Chipletz đạt được nhiều kết quả quan trọng.
Dự án đã hoàn thành thành công thiết kế và tape-out cho mẫu thiết kế thử nghiệm dựa trên nền tảng Smart Substrate.
Ngoài ra, việc sử dụng các công cụ Siemens cũng giúp tối ưu đáng kể kiến trúc package.
Một trong những kết quả đáng chú ý là:
- Giảm số lớp metal từ 16 xuống còn 9 lớp
Nhờ khả năng tái sử dụng IP thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc kết nối, Chipletz đã cải thiện đáng kể hiệu suất quy trình thiết kế cũng như hiệu năng của hệ thống.
Theo Bryan Black, CEO của Chipletz:
“Chúng tôi lựa chọn Siemens vì họ đã chứng minh được năng lực công nghệ và kinh nghiệm trong thiết kế package bán dẫn tiên tiến.”
Vai trò của HyperLynx trong thiết kế bán dẫn thế hệ mới
Trong các hệ thống bán dẫn hiện đại, đặc biệt là các kiến trúc multi-die và chiplet, việc đảm bảo toàn vẹn tín hiệu và nguồn là yếu tố quan trọng để đạt được hiệu năng hệ thống tối ưu.
HyperLynx giúp các kỹ sư:
- Phân tích và tối ưu Signal Integrity cho các giao tiếp tốc độ cao
- Đảm bảo Power Integrity trong hệ thống phân phối nguồn
- Phát hiện và khắc phục lỗi thiết kế sớm
- Xác minh thiết kế trước khi sản xuất
Nhờ khả năng xử lý các thiết kế có quy mô lớn và độ phức tạp cao, HyperLynx trở thành một công cụ quan trọng trong việc phát triển các hệ thống bán dẫn tiên tiến cho AI, HPC và các ứng dụng điện tử thế hệ mới.
VBTECH – Đối tác cung cấp giải pháp Siemens EDA tại Việt Nam
Liên hệ với VBTECH để được tư vấn trực tiếp:
