Trong bối cảnh các hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) và điện toán hiệu năng cao (HPC) đòi hỏi băng thông dữ liệu khổng lồ, giới hạn vật lý của chip đơn khối (monolithic) đã buộc ngành công nghiệp chuyển dịch sang công nghệ đóng gói tiên tiến (Advanced Packaging).
Nắm bắt xu hướng này, startup Chipletz (Texas, Mỹ) đã phát triển nền tảng Smart Substrate – giải pháp cho phép tích hợp nhiều khuôn silicon (die) từ các tiến trình khác nhau vào chung một package. Tuy nhiên, sự phức tạp của kiến trúc này kéo theo những rủi ro rất lớn về tài chính và kỹ thuật. Để kiểm soát rủi ro, Chipletz đã chuẩn hóa toàn bộ quy trình R&D của mình bằng hệ sinh thái phần mềm bản quyền từ Siemens EDA, với trọng tâm là giải pháp HyperLynx.
Bài toán kỹ thuật và rủi ro tài chính
Mục tiêu của Smart Substrate là tối ưu hiệu năng thông qua việc kết nối tốc độ cao giữa các die và hỗ trợ giao tiếp bộ nhớ băng thông rộng (HBM). Để làm được điều này, thiết kế vật lý phải đáp ứng các thông số cực kỳ khắt khe:
- Quản lý hàng nghìn net kết nối nội bộ
- Xử lý mạng lưới phân phối nguồn (PDN) cho nhiều dải điện áp
- Triệt tiêu nhiễu xuyên âm (Crosstalk) trong không gian chật hẹp.
Từ góc độ kinh doanh, mức độ rủi ro này tạo ra hai rủi ro lớn:
- Chi phí làm lại: Nếu các lỗi về Toàn vẹn tín hiệu (SI) hoặc Toàn vẹn nguồn (PI) không được phát hiện qua mô phỏng, doanh nghiệp sẽ phải làm lại bộ mặt nạ (mask set) tại nhà máy đúc. Mỗi vòng lặp sửa lỗi này có thể tiêu tốn hàng triệu USD và làm chậm tiến độ ra mắt sản phẩm từ 3 đến 6 tháng.
- Năng suất của đội ngũ: Môi trường thiết kế thiếu đồng bộ hay thiếu khả năng phân tích tham số vi mô sẽ khiến đội ngũ R&D phải phán đoán dựa trên kinh nghiệm thay vì dữ liệu chính xác, dẫn đến giảm hiệu suất công việc.
Thiết kế Smart Substrate đặt ra những yêu cầu vượt quá giới hạn thông thường của cả kỹ sư và phần mềm EDA. Việc công cụ có đủ năng lực giải quyết các bài toán biên này hay không là tiêu chí quyết định của chúng tôi
Theo Michael Su, CTO của Chipletz
Giải pháp từ Siemens
Để loại trừ rủi ro, sau quá trình đánh giá nhiều nền tảng EDA khác nhau, Chipletz đã lựa chọn các công nghệ thiết kế package bán dẫn chính hãng 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.
Sở hữu phần mềm bản quyền cung cấp cho các kỹ sư Chipletz bộ công cụ mô phỏng tiên tiến giúp:
- 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 và triệt tiêu 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 bước vào sản xuất
Nhờ khả năng mô phỏng chính xác và hiệu suất xử lý cao, HyperLynx cho phép các kỹ sư làm việc tự tin với những thiết kế có quy mô lớn, tính bảo mật cao mà vẫn đảm bảo hiệu quả trong quá trình phát triển sản phẩm.
Triển khai trên dự án quy mô lớn
Để đánh giá thực tế khả năng của các công cụ Siemens, Chipletz đã thực hiện một nguyên mẫu thiết kế thử nghiệm có độ phức tạp rất lớn dựa trên công nghệ Smart Substrate.
Cấu trúc thiết kế bao gồm:
- 1 SoC kích thước lớn
- 4 stack bộ nhớ HBM
- Các tụ chống nhiễu (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 dày đặc như vậy, việc đảm bảo hiệu năng tín hiệu và hệ thống phân phối nguồn là yếu tố cần thiết.
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 chủ động phát hiện và giải quyết các vấn đề tiềm ẩn ngay trong giai đoạn thiết kế đầu.
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 gia công.
Tìm hiểu thêm:
- Bứt phá tốc độ thiết kế PCB: Xpedition và giải pháp phân tích toàn vẹn tín hiệu HyperLynx
- Giới thiệu về Xpedition và các phiên bản của Siemens
Kết quả: Đột phá cấu trúc và tối ưu chi phí
Việc áp dụng các công nghệ thiết kế và mô phỏng của Siemens đã giúp Chipletz đạt được nhiều kết quả khả quan về cả mặt kỹ thuật lẫn tài chính.
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, trực tiếp mang lại lợi ích tài chính:
- Giảm số lớp metal từ 16 xuống còn 9 lớp – Tối giản đáng kể chi phí nguyên vật liệu và chi phí tại xưởng
- Nhờ khả năng tái sử dụng IP thiết kế một cách hợp pháp và an toàn, Chipletz đã cải thiện đáng kể hiệu suất quy trình thiết kế cũng như hiệu năng của toàn hệ thống.
Theo Bryan Black, CEO của Chipletz: “Nhờ khả năng tái sử dụng IP thiết kế một cách hợp pháp và an toàn, Chipletz đã cải thiện đáng kể hiệu suất quy trình thiết kế cũng như hiệu năng của toàn hệ thống.”
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 sở hữu công cụ để đảm bảo toàn vẹn tín hiệu và nguồn là yếu tố quyết định để đạt được hiệu năng hệ thống tối ưu. HyperLynx có thể 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, sinh lời trong việc phát triển các hệ thống bán dẫn tiên tiến cho AI, HPC và các ứng dụng điện tử thế hệ mới.
Vietbay – Đối tác cung cấp giải pháp Siemens EDA tại Việt Nam
Liên hệ với Vietbay để được tư vấn trực tiếp:
