PVTセンサー とは何ですか？

その名称が示す通り、PVTセンサー は、チップのプロセスばらつきや動作環境を検知することを目的として、通常はSoCに組み込まれる組み込み型アナログIPブロックです。これらのデバイスは、ソフトウェアの動作やCPUの負荷の変動、さらには環境条件によって、半導体デバイスの特定の測定可能な特性が変化するという事実を活用しています。

例えば、ダイオードの両端の電圧は、温度の変化に伴い既知の割合で増加します。この電圧の変化を正確に増幅することで、ダイオードが受けている局所温度に正比例するアナログ信号を生成することができます。

電圧センサーでは、コンパレータ回路（オペアンプなど）を用いて、電圧レベルを既知の基準電圧と比較することができます。また、被測定回路の性能がどのように変化するかを測定することで、基準電圧を必要としない手法も可能です。例えば、レイテンシは考慮すべき特性の一つであり、電圧の関数としてのレイテンシの変化は既知であるためです。

プロセスセンサーは、SoCに使用される特定のシリコン片が、ロジックデバイスとして「高速」、「標準」、「低速」のいずれに該当するかを判断するために、複数の手法を用います。

組み込み型PVTセンサー は、SoC開発のテスト／立ち上げ段階や、実環境での製品導入時に有用です。テスト／立ち上げ段階では、PVTセンサー がシリコンの特性評価やビニングをサポートします。また、設計段階で立てた仮定を検証するために、オンチップのばらつきを監視するのにも使用されます。さらに、PVTセンサー は、デジタル電圧・周波数スケーリング（DVFS）や適応型電圧スケーリング（AVS）といった消費電力低減手法の検証にも役立ちます。 SoCにとって重要なパラメータである消費電力は、主に以下の2つの理由から、目標範囲内に収めなければなりません。

1. 通常、競争上の重要な要件となるシステムレベルの電力仕様を満たすため。
2. チップおよびパッケージが設計された放熱仕様を満たすためです。これらの基準値を超えると、性能の低下やデバイスの故障につながる可能性があります。

テスト／立ち上げ段階を経た後も、組み込み型PVTセンサー は、実稼働環境におけるチップの動作に関する重要な情報を引き続き提供し続けます。これらのデバイスによって収集されたデータは、チップ上でローカルに分析することで、設計の性能やセキュリティを最適化することができます。また、このデータは、さまざまなオンチップインターフェースを介してクラウドに送信され、そこでより高度な分析を行うことも可能です。クラウドに集約された多数のデバイスからのデータを活用することで、システム全体のパフォーマンスに関する分析が可能になります。

こうした分析は、主に以下の2つの目標に焦点を当てています：

1. デバイスが当初の設計どおりの性能を発揮し続けるようにする
2. 予期せぬデバイスの問題を特定し、対処する

最初の項目に関して言えば、現場の動作条件（通常は電圧や温度）の変化は、デバイスの性能に影響を与える可能性があります。また、半導体デバイスは経年劣化に伴い、その性能が低下します。組み込みセンサーはこれらの状態を検知し、デバイスの性能を適正な状態に回復させるための是正措置を講じることができます。

2つ目の項目に関しては、経年劣化や環境要因によるチップの故障が発生する可能性があります。組み込みセンサーがこうした状態を検知し、オンボードロジックが致命的な故障が発生する前に適切な是正措置を講じることができます。 予期せぬデバイス問題のもう一つの形態として、セキュリティ侵害が挙げられます。こうした事象の多くは、発生していることを示す「シグネチャ」を持っています。組み込みセンサーはこれらのシグネチャを検知し、オンボードロジックが適切な措置を講じることができます。また、これらすべての事象はクラウドに伝達され、現場でのシステム稼働に関する詳細な情報を提供することが可能です。

これらの業務はすべて、拡大しつつある シリコン・ライフサイクル・マネージメント 学問分野の一部です。

組み込み型PVTセンサー は、他の方法では到底得られないレベルのSoC動作の可視性を提供します。テスト／立ち上げ段階において、SoCの動作状態に関する詳細情報が大幅に充実します。SoCを量産用テストシステムに接続すると、デバイスの入力にテスト刺激を印加し、デバイスの出力から結果を読み取ることができます。また、電圧、周囲温度、パッケージ／チップ温度などの環境条件も測定・制御可能です。 スキャンチェーン・テストにより、回路の内部ノードも制御および監視することが可能です。

この手法は非常に有用ですが、このアプローチでは測定できないもう1つの重要な変数があります。それは「オンチップばらつき」であり、これは技術ノードが微細化するにつれて（すなわち、16nmから3nmにかけて）悪影響を及ぼすように増加するパラメータです。先進的な技術ノードで実装されたSoCでは、シリコン全体で著しい性能のばらつきが生じますダイ 。局所的な電圧、すなわちIRドロップの影響により、チップの性能が仕様範囲外になる可能性があります。 また、シリコン全体で温度分布にばらつきが生じますダイ 。これにより、局所的な発熱や応力が発生します。組み込み型PVTセンサー を使用することで、これらの影響をきめ細かく測定・制御することが可能となり、デバイスの性能と信頼性の向上につながります。

クラウドベースの分析技術のおかげで、付加価値の高いサービスを推進するための追加情報が利用可能になります。セキュリティ対策の強化も実施できます。また、高度な予防保全手順を導入することで、システムのダウンタイムを回避し、コスト削減につながる可能性があります。さらに、自動運転などのアプリケーションにおいて、パフォーマンスの監視も極めて重要な要素となります。これらの技術により、デバイスの寿命を延ばしつつ、より優れた、信頼性の高いパフォーマンスを実現することが可能になります。

これらのタスクはすべて、 シリコン・ライフサイクル・マネージメント プロセスの一部です。

設計ライフサイクル全体にわたって当社のリーダーシップを拡大し、 シノプシス これが、設計段階からエンドユーザーへの導入に至るまで、SoCを最適化する業界初のデータ分析主導型アプローチの基盤となっています。 当社の「シリコン・ライフサイクル・マネージメント （SLM）」プラットフォームは、性能、信頼性、機能安全、およびセキュリティの大幅な向上を実現します。さらに、シノプシス は最近、革新的なインチップモニタリング技術およびセンシングファブリックのグローバルリーダーであるMoortecを買収しました。Moortecは、人工知能（AI）、データセンター、5G、コンシューマー、自動車アプリケーションなど、幅広い分野において、性能の最大化、電力利用の最適化、そして高精度なインチップテレメトリおよび分析の実現に注力しています。

Moortec社のインチップ・モニタリング技術およびセンシング・ファブリックの製品群は、今後、 シノプシス IPポートフォリオの一部となります。3nmプロセスノードまで対応可能なMoortecプラットフォームには、以下のものが含まれます：

• サーマルセンシング（TS）。高精度かつ容易な統合を実現し、電力最適化 および信頼性をサポートします。
• 分散型熱センシング（DTS）。熱マッピング、局所的な（例：炉心内）高密度配置、低遅延に対応
• 電源監視（VM）。複数のドメインの供給電圧を測定し、配電ネットワークの妥当性を検証し、静的および動的な電圧降下解析を実行します。
• プロセスモニタリング（PD）。シリコンの速度変動、大量生産、および単一のダイ にわたる変動を把握し、電力最適化 （SVS）および経時変化のモニタリング機能を提供します。
• 監視サブシステム（PVT-CONTROLLER）。監視ファブリックへの専用サブシステムインターフェースを提供し、アプリケーションごとに設定可能。標準的なインターフェースを備え、豊富な機能を有している。