创新的 UPMEMPIM-DRAM 需要创新的电源完整性分析

UPMEM 提出的创新型 PIM-DRAM 模块有望让 IC 行业节省大量的资源和运营成本。但是，要想取得市场成功，UPMEM  必须确保他们的新模块能够有效地满足市场对功耗和可靠性的要求。由于使用 mPower 集成式功耗分析流程可以严格且易用的分析模拟和数字电路，因而 UPMEM 确信他们的新PIM-DRAM 模块能够提供符合设计期望的功耗、性能和可靠性。

总部位于法国格勒诺布尔的 UPMEM 是一家无晶圆厂半导体公司，该公司率先将存算一体架构 (PIM) 引入到集成设计 (IC) 行业。数据移入和移出存储器是 IC 工作的主要开销。中央处理单元 (CPU) 和动态随机存取存储器 (DRAM) 模块之间数据移动的能量消耗是 CPU 操作的20 倍，这会导致具有数据密集型应用程序的服务器出现严重的能效问题。为应对这一挑战，UPMEM  创建了存算一体 (PIM) DRAM 模块来取代传统的 DRAM 双列直插式存储器模块 (DIMM)。PIM-DRAM 模块在工作时无需将数据读取到 CPU（图 1）。用 PIM-DRAM 模块取代标准DIMM 可以将性能提升多达 20 倍，同时将能耗降低多达13 倍，两者均可降低运营成本。

图 1. UPMEM PIM-DRAM 无需向 CPU 传输数据即可进行数据处理。

UPMEM PIM-DRAM 设计的技术细节包括：

● 4Gb DDR4 2400 DRAM + 8 个 600MHz DPU

● 在单个芯片上采用标准的 2x nm DRAM 工艺

● 标准封装

● 可轻松编程的 SDK

   – 可采用 C 语言编程

   – 单一 SDK 同时服务仿真器和产品设计

 模块为大量数据密集型应用程序提供了新的提升性能的机会，如图形匹配、索引数据库搜索、多标准分析和图像识别，这种创新设计的生产也面临一些重大挑战。特别是现有工具和流程难以在电源规划和电源完整性两个方面提供有效支持。由于 PIM-DRAM流程与典型的数字设计流程迥然不同，许多工具和分析方法根本不存在。

在将基于标准单元的数字模块添加到 DRAM 以创建其PIM-DRAM IC 时，UPMEM 需要验证供电网络是否进行了充分的调整和优化。他们需要足够灵活的功耗分析工具来满足多种功耗分析要求，还需要验证业内前所未有的基于不同工作状态组合条件下的功耗分析。简而言之， UPMEM 的创新 PIM-DRAM 设计需要同等创新的电源完整性分析解决方案。答案是什么？来自 Siemens EDA

（隶属 Siemens Digital Industries Software）的 mPower 电源完整性分析工具。

例如，极其有限的高电阻布线资源创建了复杂的电源网络。使用 mPower 解决方案的 IR 分析与芯片布局规划阶段的布局布线 (P&R) 迭代相结合， UPMEM 可以在实现过程中对多个区域设计进行识别和优化：

● 标准单元逻辑区域上的电源网络定义（宽度、间距、连接），对布线的影响非常有限

● 局部强化（SRAM、边界等）

● 每个处理器额外集成一个 15nF 的 MIM 电容器

他们不仅能够通过快速迭代完成芯片布局规划阶段，还凭借 mPower 的高精度分析结果，将配电能力提升了10 倍（图 2）。

此外，尽管这种非典型工艺具有很高的电阻，并且没有针对标准布局布线流程进行优化，但得益于 mPower 软件的易用性和集成功能，UPMEM  仍能在其标准设计流程中快速、轻松地执行所有功耗分析任务（图 3）。由于 mPower 软件使用非专有的行业标准格式并可以在所有设计工具中显示结果，因而在很大程度上简化了集成过程。

图 2. mPower 电源完整性分析使 UPMEM 设计人员能够在芯片规划期间优化电源。

图 3. 如本例所示，UPMEM 凭借灵活的 mPower GUI 可以轻松地将功耗分析集成到其设计流程中。

快速、稳定且易于使用的 mPower GUI 可凭借以下功能，支持快速、准确的对结果进行除错：

● 快速、大容量的全芯片展示

● 单页或多页浏览

● 按网络或实例名称筛选版图

● 浏览 ASCII 报告文件并在报告浏览器中高亮显示导线 / 器件

● 追踪最差 IR 压降管脚到源焊盘

● 绘制器件管脚电流 / 电压波形

UPMEM 工程师还能使用 mPower 软件进行作为后端实现 signoff 的静态和动态功耗分析（图 4）。凭借mPower 软件的无限可扩展性，通常只需约 15 分钟便可运行全芯片功耗分析，使得每天可进行多次迭代。

图 4. mPower 快速的运行时间使 UPMEM 设计人员能够每天对其 PIM-DRAM 设计完成多次基于版图实现后数据的功耗分析。此处显示的动态 IR 结果只需 15 分钟便可获得。

UPMEM 的创新 PIM-DRAM 模块让 IC 行业有望节省大量的资源和运营成本。PIM-DRAM 模块在数据处理操作中提供了充分的灵活性，而且其复杂性较低，实现成本也相对较低，因而可能改变许多设计公司的竞争格局。

但是，要想取得市场成功，UPMEM  必须确保他们的新模块能够有效地满足市场的功耗和可靠性要求。mPower 电源完整性解决方案为他们提供了必要的性能和可扩展性，以使用基于仿真的大容量动态分析来分析从平面规划到流片的电源网络设计，而无需使用手动计算或静态分析。UPMEM 能够在 mPower 集成式功耗分析流程中严格地分析模拟和数字设计，因而确信他们的新PIM-DRAM 模块能够提供符合设计期望的功耗、性能和可靠性。