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Astro-Rail工具為芯片設計提供了在設計和簽核階段進(jìn)行功耗、電壓降和電遷移分析的功能。用Astro-Rail工具對一個(gè)5百萬(wàn)門(mén)的設計進(jìn)行功耗、電壓降和電遷移分析，所需時(shí)間不到一個(gè)小時(shí)。分析完成后，Astro-Rail將可能出問(wèn)題的區域用不同的顏色在版圖上清晰地顯示出來(lái),以幫助設計者分析并查找問(wèn)題。其提供的簽核分析結果和Star-RCXT反標后再分析的結果相差不到5%。Astro-Rail是Synopsys Galaxy平臺的一個(gè)重要部件，利用獨有的動(dòng)態(tài)宏模塊技術(shù)取得了突破性的速度，是一般rail分析工具速度的2倍"3倍。 文中的FFT芯片是16位的128點(diǎn)FFT/IFFT定點(diǎn)處理器，該處理器主要應用于基于OFDM的UWB系統,采用了N=4×4×4×2的算法實(shí)現定點(diǎn)的FFT運算。它采用了兩級流水線(xiàn)的結構，包括三級的基-4運算和一級的基-2運算。該設計的時(shí)鐘頻率為62MHz，采用SMIC 0.18mm 1P5M CMOS工藝，用Astro工具完成3.7mm×3.7mm版圖面積平面規劃、電源環(huán)和電源條預布線(xiàn)，用PC工具進(jìn)行基于時(shí)序和阻塞的布局，再用Astro工具完成時(shí)鐘樹(shù)綜合和布線(xiàn)。在滿(mǎn)足靜態(tài)時(shí)序分析和設計規則檢查的情況下，利用Astro-Rail工具對FFT芯片進(jìn)行功耗分析來(lái)判斷電源和地的Pad對數目是否符合要求，通過(guò)電壓降和電遷移分析來(lái)判斷電源環(huán)和電源條的布線(xiàn)是否符合電壓降和電遷移要求。 Astro-Rail分析門(mén)級功耗的方法 用Astro-Rail工具分析門(mén)級功耗包含四個(gè)部分：開(kāi)關(guān)功率、短路功率、內部功率和泄漏功率。 開(kāi)關(guān)功率 單元門(mén)器件的輸出端與地之間會(huì )形成一個(gè)電容，器件導通或關(guān)斷時(shí)對該電容進(jìn)行充電或放電所消耗的功率即為開(kāi)關(guān)功率。Astro-Rail計算開(kāi)關(guān)功率的公式為：P=C×V2×f/2。其中f為信號跳變率，即單位時(shí)間內信號在高低電平之間跳變的次數；C為門(mén)器件輸出端的線(xiàn)負載電容，其數值可以通過(guò)線(xiàn)負載模型提取，也可以在物理設計完成后從版圖中提取，后者具有較高的精度；V為電源電壓。 短路功率 當一個(gè)單元的狀態(tài)從0變?yōu)?或從1變?yōu)?時(shí)，對應的N型和P型管在短時(shí)間內同時(shí)導通，從而在單元門(mén)器件中產(chǎn)生從電源到地的通路，此過(guò)程中消耗的功率稱(chēng)為短路功率。 內部功率 對一個(gè)單元門(mén)器件來(lái)說(shuō)，不是每一次輸入信號狀態(tài)的變化都會(huì )導致輸出信號的狀態(tài)改變。這種輸入信號狀態(tài)發(fā)生變化而輸出信號狀態(tài)不變的情況下所消耗的功率被稱(chēng)為內部功率。以二輸入或門(mén)為例，當A、B輸入均為1，則輸出X為1，這時(shí)若輸入B從1變?yōu)?，輸出X狀態(tài)不變，但輸入B控制的管子狀態(tài)發(fā)生變化，從而消耗內部功率。 泄漏功率 泄漏功率是指晶體管沒(méi)有進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)所消耗的功率。盡管在晶體管漏極和襯底之間的一些反向偏置二極管中存在著(zhù)漏電流，但大部分泄漏功率來(lái)自晶體管關(guān)斷時(shí)的亞閾值電流。當一個(gè)設計已經(jīng)確定后，其泄漏功率是恒定的，與芯片的工作狀態(tài)無(wú)關(guān)。 FFT芯片的功耗分析 Astro-Rail分析FFT芯片功耗的流程主要包括5個(gè)步驟。 查看工藝庫文件 在smic18_apollo_m5.tf工藝庫文件中查看所定義的電壓、功耗、電流等單位，通過(guò)搜索關(guān)鍵字maxCurrDensity尋找各金屬層和各過(guò)孔的最大電流密度值。 在Milkyway環(huán)境創(chuàng )建LM目錄 Milkyway 環(huán)境是 Synopsys 針對超深亞微米(納米級)設計所建立的一種數據庫，它大大方便了整個(gè)物理設計實(shí)現的流程。LM目錄為Astro-Rail工具分析門(mén)級功耗、電壓降、電遷移提供了所必需的時(shí)序信息和功耗信息。由于SMIC 0.18mm CMOS工藝在Milkyway環(huán)境中無(wú)LM目錄，因此需要在A(yíng)stro環(huán)境下使用gePrepLIbs命令創(chuàng )建LM目錄。具體的方法是：在STD(標準單元庫)目錄下，進(jìn)入Astro環(huán)境，輸入gePrepLIbs命令，執行后會(huì )打開(kāi)對話(huà)框，在對話(huà)框中進(jìn)行相應設置即可生成STD的LM目錄。用同樣的方法創(chuàng )建標準IO的LM目錄。 導入VDD網(wǎng)絡(luò )的電壓值 Astro-Rail工具用VDD的電壓值來(lái)計算芯片的功耗，默認值為0V。指定VDD網(wǎng)絡(luò )電壓值的命令為： tdfSetPowerSupply “VDD”1.62 1.8 1.98 將該命令保存在Powersupply.tdf文件，然后執行poLoadPowerSupply命令，彈出對話(huà)框輸入該文件進(jìn)行導入。 導入芯片的信號跳變信息 為正確分析各種單元門(mén)器件的功耗，關(guān)鍵是要精確計算每個(gè)單元門(mén)器件的信號跳變率。對于本文使用的0.18mm工藝而言，芯片的功耗主要取決于動(dòng)態(tài)功耗，而動(dòng)態(tài)功耗依賴(lài)于不同的輸入向量，通常需要針對芯片各個(gè)部分設計大量的輸入向量進(jìn)行仿真，以記錄信號跳變信息。信號跳變信息由Value Change Dump(VCD)文件記錄。導入芯片的信號跳變信息時(shí)，先執行菜單命令Power＞Load NetSwitching Activity，在彈出對話(huà)框的輸入格式中選擇VCD模式，然后輸入VCD文件名后按OK按鈕即可導入。 功耗計算 執行菜單命令Power＞Power Analysis，在彈出的對話(huà)框中進(jìn)行適當選擇后，按OK按鈕對FFT芯片進(jìn)行功耗計算。結果如下 ：開(kāi)關(guān)功率為293.88mW，短路功率為293.991mW，內部功率為160.541mW，泄漏功率為0.1159mW，總功耗為748.527mW，總電流為Itotal=415.848mA。根據工藝庫文檔可知：電源和地 PAD允許通過(guò)的最大電流都為Imax=51mA，則可確定電源和地 PAD的最小對數n： n= Itotal/Imax=415.848/51=8.15 在本文的FFT芯片中布置有12對電源和地PAD數，故符合要求。在設計中，應該多放置幾對電源和地PAD，不但可以減少電壓降，冗余的電源、地PAD以及鍵合線(xiàn)(Bonding Wire)都可以減少寄生電容，從而降低順勢電流變化而導致的電壓波動(dòng)。 FFT芯片的電壓降和電遷移分析 芯片電源完整性分析包含電壓降分析和電遷移效應分析。電壓降分析包含計算對電源網(wǎng)絡(luò )VDD的電壓降和對地網(wǎng)絡(luò )GND的電壓反彈值。對電源網(wǎng)絡(luò )VDD的電壓降是由芯片中電源網(wǎng)絡(luò )的金屬連線(xiàn)電阻所造成的，導致電源和地之間電勢差降低；對地網(wǎng)絡(luò )GND的電壓反彈主要是由于開(kāi)關(guān)電流流經(jīng)連線(xiàn)或襯底的電感引起，也可能由于連接電源和地的封裝引線(xiàn)電感引起。電壓降和地電壓反彈都會(huì )減小邏輯門(mén)的噪聲容限，增加時(shí)延。電遷移是由于金屬連線(xiàn)中存在高密度的電流，從而在金屬的正偏壓端和負偏壓端之間形成金屬導電原子流動(dòng)。這股強烈的原子流有可能導致金屬的斷裂(金屬連線(xiàn)開(kāi)路)或是擠出(金屬連線(xiàn)短路)。因此，完成功耗分析后對FFT芯片進(jìn)行電壓降分析和電遷移分析是十分必要的。 抽取電源和地網(wǎng)絡(luò )參數 要正確分析電壓降，需要抽取電源和地網(wǎng)絡(luò )的電阻和電容值。執行poPGExtraction命令，打開(kāi)對話(huà)框，在PG net name中選擇VDD按Apply按鈕，再選擇GND按OK按鈕，即可完成電源和地網(wǎng)絡(luò )參數抽取。 定義理想電源輸入點(diǎn) 在分析電壓降和電遷移的過(guò)程中，用poGenUserDefineTap命令自動(dòng)生成用戶(hù)定義的理想源輸入點(diǎn)。具體做法是：先執行poGenUserDefineTap命令，彈出對話(huà)框，接著(zhù)在FFT版圖窗口左邊的快捷按鈕點(diǎn)擊 Layer panel選項，在彈出的對話(huà)框中選擇僅顯示M1層(層號為61)。用鼠標左鍵點(diǎn)擊每個(gè)VDD的PAD與VDD網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)連接處，則該點(diǎn)位置會(huì )自動(dòng)加入vddtaps文件中，并在命令窗口顯示：Writing tap (VDD 61 336.750 3514.180) into file "vddtaps"。用同樣的方法定義分析地電壓反彈時(shí)所需的理想電壓輸入點(diǎn)文件gndtaps。 計算最大電壓降 輸入poRailAnalysis命令，彈出對話(huà)框，在P/G pad info中選擇用戶(hù)定義的Tap，在用戶(hù)定義的Tap文件中輸入文件名vddtaps，選中Extract Option選項分析電壓降。從分析結果中可知，最大的電壓降為70.726mV，小于0.1VDD即180mV，證明FFT芯片電源環(huán)和電源條的布置符合電壓降的要求。 計算最大地電壓反彈，只需在用戶(hù)定義的Tap文件中輸入文件名gndtaps，選中Extract Option選項即可分析地網(wǎng)絡(luò )。從分析結果中可知，最大地電壓反彈為46.419mV，小于0.1VDD即180mV，證明FFT芯片電源環(huán)和電源條的布置符合地反彈電壓要求。 顯示電壓降圖 當軌道分析完成后，可用不同顏色來(lái)顯示芯片FFT不同部位的電壓降情況。具體做法為：執行菜單命令Power＞Display Voltage Drop Map…，彈出對話(huà)框，在PG Net中選擇分析VDD，按Apply按鈕后自動(dòng)指定最大的電壓降值-70.726mV。對最大的電壓降值-70.726mV進(jìn)行12等分，并選擇將每一等分范圍及對應的顏色配置顯示在FFT芯片版圖上，按OK按鈕后得電壓降圖，如圖1所示。從圖中可知，中間呈蛋形的區域對應的電壓降大，該區域中的高亮小矩形表示此處的VDD網(wǎng)絡(luò )電壓降最大。地電平反彈圖可用同樣的方法分析。 圖1 FFT芯片電壓降圖 顯示電遷移圖 電遷移圖可用不同顏色來(lái)顯示芯片各層及過(guò)孔在芯片FFT不同部位的電流密度情況。顯示電遷移圖的具體方法是：執行Power＞ Display Electromigration Map…菜單命令，彈出對話(huà)框，在PG Net中選擇分析VDD，然后點(diǎn)擊Color,Metal,Via Bounds按鈕，打開(kāi)如圖2所示的對話(huà)框。對話(huà)框中各金屬層和過(guò)孔所允許的最大電流密度按smic18_apollo_m5.tf工藝庫文件中的指定自動(dòng)填入�？筛鶕䦟�(shí)際情況修改各金屬層和過(guò)孔所允許的最大電流密度。 選擇圖2中的M1金屬層，并按OK按鈕進(jìn)行分析，得到M1層電遷移圖，如圖3所示，可在FFT芯片版圖上用12種不同顏色來(lái)顯示不同部位的電流密度情況。從圖中可知，M1層中電遷移率較大區域的參數值范圍為6.667"7.5，小于M1層所允許的最大電流密度10。用同樣方法可分析其它金屬層和過(guò)孔的電遷移圖，從圖中可判斷出，各金屬層和過(guò)孔的電遷移率都小于所允許的最大電流密度，從而證明FFT芯片電源環(huán)和電源條的布置符合電遷移要求。 圖2 金屬層和過(guò)孔允許最大電流密度 圖3 FFT芯片M1層電遷移率圖 結語(yǔ) 隨著(zhù)集成電路制造技術(shù)的不斷提高，集成度越來(lái)越高，對應的功耗、電壓降和電遷移問(wèn)題也越來(lái)越突出。減小芯片功耗的方法與設計有關(guān)；解決電壓降的主要方法是增加電源線(xiàn)和地線(xiàn)的寬度及數量，合理布置電源網(wǎng)絡(luò )；解決電遷移問(wèn)題的主要方法是增加電源和地PAD對的數量，增加電源線(xiàn)和地線(xiàn)的寬度及數量，對關(guān)鍵路徑設置較寬的連線(xiàn)。通過(guò)利用Astro-Rail工具對電源和地網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行參數提取，再進(jìn)行功耗、電壓降和地反彈電壓計算，并顯示電壓降和電遷移分析的結果，能夠確保芯片中與功耗相關(guān)的電源和地PAD對數，與電源環(huán)和電源條布局布線(xiàn)相關(guān)的電壓降、地電壓反彈和電遷移效應等問(wèn)題得到解決。 |
