在启明芯的其他战线捷报频传之时,决定公司未来命运的核心战场——「天枢一号」Soc芯片的研发,也终于进入了最为惊心动魄、也最令人期待的最后阶段:流片前的最终签核!
深圳研发中心,Soc设计与验证部门。
这里已经连续数周处于一种近乎“战时状态”的极限运转之中。空气中弥漫着浓烈的咖啡因和肾上腺素的味道。巨大的电子倒计时牌悬挂在最显眼的位置,上面的数字无情地跳动着,提醒着每一个人,距离将设计数据最终提交给台积电那条全球最先进之一的 65nm 工艺生产线的截止日期,只剩下最后几天!
「天枢一号」,这颗被林轩和整个启明芯寄予厚望的、旨在为「北辰」oS提供完美硬件支撑、并一举奠定智能手机时代技术领先地位的旗舰级Soc,其设计的复杂度和挑战性,都远远超过了公司之前的任何一款产品。
数十亿级别的晶体管集成度! 高性能、低功耗的多核「苍穹」cpU架构! 经过大幅升级、具备强大2d\/3d加速和早期GpGpU能力的「灵猴」GpU核心! 支持hSpA(3.5G)网络的、极其复杂的基带处理单元! 还有高速内存接口、丰富的多媒体引擎、硬件安全模块、以及精密的电源管理网络……
所有这一切,都要被集成在指甲盖大小的硅片上,并且要使用当时还非常“娇贵”、对设计规则要求极其严苛的 65nm 工艺来实现!
其难度,不亚于在针尖上建造一座超级都市!
任何一个微小的设计失误,任何一个潜在的制造缺陷,都可能导致数千万美元的流片费用打水漂,更可能将整个「北辰」计划的发布时间推迟数月甚至半年以上!
因此,流片前的最终签核验证,成为了压在所有硬件工程师心头的一块巨石。他们必须像拿着最高倍数的显微镜一样,对设计的每一个角落进行最后的、最彻底的检查,确保万无一失!
战场一:与时序的最后一搏!
负责物理设计和时序收敛的后端团队,在张伟的带领下,正进行着最后的“浴血奋战”。
在 65nm 工艺下,晶体管的开关速度极快,但互连线延迟的占比却急剧上升,而且工艺偏差的影响也变得极其显着。要让芯片上数亿条逻辑路径,都能在目标时钟频率(例如cpU核心目标频率可能高达 500?600mhz)下稳定工作,并且留有足够的时序裕量,难度极大。
“报告张总!GpU渲染管线中的一条关键路径,在最差工艺角下,存在 ?35ps 的负时序裕量!尝试了多种优化手段,效果都不理想!”一位负责GpU后端实现的工程师,盯着「盘古-时序」工具报告的红色违规信息,急得满头大汗。
?35ps!这在高速电路中,几乎是不可逾越的鸿沟!
张伟立刻召集相关工程师进行紧急会诊。他们调取了这条路径的详细信息,发现它跨越了多个逻辑层级,并且经过了一段较长的连线。
“能不能插入几个更高驱动能力的buffer?”有人提议。 “试过了,效果不明显,反而增加了面积和功耗。” “能不能让「盘古」p&R工具强制优化这条路径的布局,缩短连线长度?” “也试过了,但可能会影响到其他路径的时序,按下葫芦浮起瓢。”
就在大家一筹莫展之际,一直关注着验证进展的林轩,通过视频连线给出了一个建议:“这条路径的逻辑功能是什么?能不能和前端逻辑设计的同事沟通一下,看看是否可以在RtL层面,通过插入流水线寄存器的方式,将这条长路径打断成两段或三段?虽然会增加一到两个时钟周期的延迟,但可以大幅提升吞吐量,即有效运行时钟频率。对于GpU这种并行处理单元来说,延迟的影响通常没有频率那么致命。”
这个建议点醒了众人!他们立刻与负责GpU逻辑设计的前端工程师沟通,发现确实可以通过微调RtL代码,在不影响功能正确性的前提下,插入流水线寄存器来优化这条关键路径!
经过快速的RtL修改、逻辑综合和重新布局布线,最终的时序报告显示,那条原本令人绝望的 ?35ps 违规,被成功消除!所有关键路径的时序都收敛了!
战场二:与功耗的“斤斤计较”!
模拟与电源管理团队,则在进行着最后的功耗签核。
他们利用「盘古-功耗」工具,对芯片在各种典型应用场景(如待机、通话、游戏、高清视频播放)下的峰值功耗、平均功耗、以及静态漏电功耗,进行着最终的精确评估。
“老王!cpU核心在运行某个特定测试程序时,峰值功耗超了预算 8%!”一位工程师报告道。
老王(负责模拟设计)立刻调出详细的功耗分析报告和对应的电路图,仔细排查。最终发现,是由于该测试程序会触发cpU内部某个不常用的浮点运算单元(FpU)长时间处于高活动状态,而该单元的时钟门控逻辑设计得不够精细,导致了不必要的功耗浪费。
他们立刻与cpU设计团队沟通,优化了该单元的时钟门控逻辑,并建议oS内核团队在不使用FpU时,通过软件指令将其置于更深度的睡眠状态。经过修改和重新仿真,峰值功耗被成功压回了预算之内。
类似这样对每一个毫瓦(mw)功耗的“斤斤计较”,贯穿了整个功耗签核的始终。
战场三:与物理规则的“像素战争”!
当所有的功能、时序、功耗都基本达标后,最后的、也是最繁琐的一关,便是物理验证。
负责物理验证的工程师们,正面对着「盘古-验证」工具报告出的、密密麻麻的、可能高达数万甚至数十万个设计规则检查(dRc)违规和版图与原理图一致性(LVS)检查错误列表。
这些错误,有些可能只是微不足道的间距或尺寸偏差,有些则可能是致命的短路或开路。工程师们必须像侦探一样,耐心地、逐一地去定位、分析和修复每一个错误。
“这个dRc违规,是因为金属层3(metal 3)的走线距离过孔太近了,需要调整走线路径。” “这个LVS错误,是原理图中一个N管的尺寸,和版图中对应管子的尺寸不匹配,需要核对修改。” “这个天线效应违规,需要在这条长连线上插入一些跳接金属来释放电荷积累。”
这项工作极其枯燥,极其耗费眼力,但也极其重要!任何一个遗漏的物理错误,都可能导致价值数千万美元的硅片变成一堆无用的沙子!
时间一分一秒地流逝,距离最终的deadline越来越近。整个部门都处于一种高度紧张、近乎窒息的氛围中。
终于,在距离GdSII提交前最后几个小时,所有的验证流程都画上了代表“通过”的绿色标记!
dRc clean! LVS clean! ERc clean! timing met! power optimized!
当最终的Sign-off报告生成,确认芯片设计在所有关键环节都已达标,可以正式交付流片时,一直紧绷着神经的陈家俊,这位铁打的汉子,也忍不住长长地吁了一口气,感觉全身的力气仿佛都被抽空了。
他站起身,环视着一张张写满了疲惫、但更多是如释重负和自豪的脸庞,用略带沙哑的声音宣布:“各位!「天枢一号」……设计定型!准备……tape-out!”
没有想象中的欢呼,只有一片短暂的沉寂,随即被一阵更加热烈、仿佛要将屋顶掀翻的掌声和欢呼声所淹没!
无数个不眠之夜的奋斗,无数次技术难关的跨越,无数轮严苛验证的洗礼……所有的艰辛和付出,在这一刻都化作了成功的喜悦和对未来的无限憧憬!
「天枢一号」,这颗凝聚了启明芯最高智慧和心血、承载着「北辰」帝国梦想的“龙珠”,终于被成功地孕育出来!
接下来,它将被送往世界上最先进的“炼丹炉”(晶圆厂),经历烈火的淬炼。几个月后,它将以硅片的形式,“破壳”而出!
而那一天,将是启明芯真正向世界宣告一个新时代到来的时刻!