广泛应用的非线性延迟和功耗模型(NLDM/NLPM)已经在集成电路设计行业使用了近10年。这些模型由多个提取了每种输入电压变化和输出负载组合的单元(cell)延迟或功耗的表构成。在90纳米及以下的工艺尺寸上,许多新效应已经无法再使用这种方式来建模。下面我们将对一些此类建模挑战进行更详细的阐述。这些挑战包括:高阻抗互连；米勒效应(Miller effect)；动态电压降对延时的影响；多电压、动态电压和频率调整(DVFS)设计；驱动电路削弱现象；温度逆变；工艺变动不断加大。
使这些问题复杂化的是,其中一些效应在时序、噪声和功耗之间存在着相互依赖的关系。例如,时序和压摆率(slew rate)会影响功耗,而功耗会影响电压降(IR压降),而电压降又反过来影响时序。而且,时序会影响信号完整性,而信号完整性反过来会由于串扰引发的延时偏移而影响时序。另外一项经常被人忽视的事实是,信号完整性会影响功耗,而反过来影响IR压降和时序。通常情况下,设计人员在设计中会忽略不会传播到寄存器并造成功能性故障的短时脉冲干扰,但设计中如存在大量的适时脉冲干扰也会增加功耗。
以上所讨论的这些问题以及许多其它问题共同促成了合成电流源(CCS)建模技术的开发。值得注意的是,其它模型已经采用基于电流的方法解决了部分上述问题,但这些模型总是单独与时序或噪声或功耗关联,CCS是第一种能够将上述三个方面纳入单一综合模型的方法。
一些基于电流的时序模型存储了驱动电路的电压数值,这种方法只提供了有限的真实电流波形信息。在(电压、时间)两点之间,只有平均电流数值是已知的。要保留真实的电流波形形状可能需要大量的电压采样点,为避免产生这个问题,CCS存储了电流数值,并采用一种能够减少电流、时间点数量的方法,同时仍然保持输出引脚响应每个时间步长(time step)的精确度。
CCS解决方案
CCS提供了完整的建模解决方案,包括单一开放源代码库建模技术,涵盖了对于时序、噪声和功耗的基于电流的建模,并提供了精确生成库和校验的工具和指导。这一完整的建模解决方案目的在于简化和加速这项新技术的推广。
基于CCS的模型能够透明地运行在Synopsys Galaxy设计平台上,在整个设计流程中提供了新功能和/或增强的能力,包括:提高了时序精度,特别是对于网络负载大的网络；IR压降延时分析—每个单元的延时均精确地根据实例特有的电压降数据进行调节；采用多VDD或动态频率和电压调节(DFVS) 降低功耗,使系统级芯片的设计和签核(sign-off)更轻松；高精度信号完整性签核,包括噪声传播。
CCS还能够进行灵活的伸缩,可以用于以后的应用程序,让设计人员在设计和分析系统级芯片时,将与供电电压、温度及工艺的变化情况相关的时序、功耗和噪声考虑进去。
时序模型
采用CCS技术进行的时序建模包含1个驱动电路模型和1个接收器模型,如图1所示。这个驱动电路模型是一个取决于时间的非线性电流源。由于这种电流源的驱动电阻实际上是无限大的,因此即使驱动电阻远低于互联阻抗,该模型仍然能够提供很高的精确度。
图1:CCS提供了精确的驱动电路和接收器模型。
CCS接收器模型由2个电容构成,能够在过渡期间对电容数值进行动态调节。电容数值因输入斜率(input slew)、输出负载和单元状态而异。
特征提取获得的输入斜率和输出负载的单元响应(输出电压波形)可以很容易地通过电流波形的积分确定。在单元正在驱动某一具体的RC网络时,来自多个特征提取的电流波形(针对不同输出负载数值)的数据用于动态确定过渡当中的电流。对电流波形的高级调节能力可以在输入斜率、输出负载、VDD与温度的经特征提取的数值之间进行高精度的计算。
利用这些能力,CCS时序模型可以达到与HSPICE仿真相差在2%以内的精确度。而且这些模型十分简单,足以针对高度复杂的纳米级设计方案进行非常快速的延迟计算。
噪声模型
CCS噪声模型是一个基于电流的单元边界晶体管级(boundary transistor stage)模型,能够以与HSPICE仿真相近的精确度来实现信号完整性分析。它为精确计算注入串扰噪声、传播噪声和驱动电路弱化(weakening)现象提供了充分的信息。当传播噪声由于驱动电路弱化而导致注入噪声非线性猛增时,单级单元的驱动电路会出现弱化现象。CCS时序接收器模型可与CCS噪声模型联合工作,通过对输入过渡时间内接收器电容与接收器输出负载电容之间的依赖关系进行建模,来大幅提高噪声分析的精度。CCS技术中精确的电压和温度调节机制还能够使噪声分析从中受益。
CCS噪声模型最重要的优点是高效的特征提取能力。与NLDM噪声模型不同,CCS噪声能够让信号完整性分析工具在设计中随时计算单元的抗噪声干扰能力。与NLDM噪声相比,这种对于抗噪声干扰能力和噪声传播的动态计算可将库的特征提取运行时间缩短100倍,而且对精确度或工具运行时间没有影响。
CCS噪声模型采用了边界晶体管级建模技术以达到高精确度,无需对单元内的每一个晶体管级进行建模。对于单级逻辑电路(如反相器),整个级均在CCS噪声格式内得到了描述,如图2所示。
图2:CCS噪声边界晶体管级建模技术。
CCS模型提供了针对全部串扰噪声分析任务的高精度,包括噪声计算、噪声传播以及噪声传播和噪声注入的组合。
功耗模型
CCS模型支持日益增多的对功耗优化、签核功耗分析和电源轨(动态IR压降)分析的需求。通过获取电流波形,基于CCS的功耗分析比采用NLPM的分析时间精度要高得多,这点可从图3中看出。
图3:基于CCS的功耗分析比NLPM的分析时间精度高得多。
另外,CCS时序解决方案能够对动态IR压降进行精确的分析,这对于电源完整性和时序分析均至关重要。CCS功耗模型还能够提取到单元未切换时每个单元的等效寄生电容和电阻,从而可以在整个设计过程中快速计算电流和功耗,包括电源网络内的IR压降。
CCS功耗模型提供了一种综合全面的数据格式,适用于复杂度不断提高的功耗优化和分析工具,包括内建了对多电压设计的支持,以及动态和静态功耗的更高精确度。
模型特征提取
针对CCS模型对单元进行特征提取与NLDM特征提取类似。时序、噪声和功耗的综合特征提取过程之所以更加迅速,主要归功于CCS能够比NLDM实现高出2个量级(100倍)的更快噪声特征提取运行时间。而且在时序和功耗特征提取的绝大部分均可同时执行。
为了加快CCS技术的推广,Synopsys提供了下列特征提取和验证辅助支持:
CCS建模技术白皮书；
开放源代码的Liberty格式规格；
特征提取指导以及最佳方法文档；
支持CCS的库特征提取工具(NanoChar)；
能够轻松集成到现有特征提取系统内的特征提取工具套件；
Library Compiler,包括了CCS语法检查以及有效性查验；
库质量保证工具(LibChecker)；
在ARM物理IP中运用CCS
ARM公司提供了适用于自身产品的Liberty模型,并支持众多的半导体代工技术和工艺,也增强了其生成CCS模型的特征提取基本结构。这些模型实现了更高的精确度和更高效的电压调节能力,能够满足先进的工艺需求并为新设计风格提供支持,例如ARM 的智能能量管理器(IEM)技术以及用于超低功耗设计的ARM电源管理工具包 (PMK)。
从ARM网站可立刻下载适用于90纳米和65纳米工艺技术范围内的ARM Advantage、Metro和SAGE-X标准单元库的CCS 时序和噪声模型。
本文小结
CCS提供了一套完整的建模解决方案,方案中采用了基于电流的建模技术,能够满足当前已存在和新提出的设计要求,并满足多电压域等设计策略需求。在任一模型中,由开放源代码的库格式结合所需要的单元数据,以支持对时序、噪声和功耗的分析,让这些分析高效而精确,因为分析从开始就使用了针对纳米相关依赖性进行了特性提取。
由于这种开放式的CCS格式是可以扩展的,这些模型就构成了可以根据需求进行增强的基础,以应对下一轮对建模技术的挑战,如差异识别的分析或统计时序分析。
George Mekhtarian
产品经理
Synopsys公司
Rob Aitken
研究员
ARM公司
京公网安备 11011202001138号
