随着半导体设计技术走向0.15微米以下,什么才是设计成功的保障呢？刚刚在百万门级设计中突破0.15微米设计障碍的工程师们已意识到,许多IC设计的基本习惯必须重新构建才能确保在新的设计水平上取得成功。在0.15微米以下设计中,设计人员发现了许多复杂的线路特性,这在过去只需大致估计甚至可以忽略不记,但现在设计师必须立即寻找解决方案以应付一种不断增加的需求,即在复杂程度增加的同时得到更为准确的设计结果。采用建立在新型建模方式下的新方法和新设计工具,可以在0.15微米及以下的设计中得到一致准确的时序确认(signoff)。
芯片线路尺寸变小密度增加后,设计师们要面临一大堆问题,使得获取准确可靠的时序收敛更加复杂。芯片越小越密导致电容耦合增加,造成在门延迟中通常起主要作用的线路延迟更加不确定。事实上,设计人员发现已不能再在逻辑设计中消除物理设计的影响,相反却要处理逻辑和实际连线之间复杂的相互作用。除此以外,随着芯片设计尺寸和布局复杂度增加,还会引起整个芯片的温度、电压和功耗发生显著变化,使芯片设计又多了一层问题。
面对这些问题,单元电气功能和时序性能等传统设计模型已完全不适用。传统模型只能提供静态数据,通常使用由各设计工具内部延迟计算算法评估得到的方程式或数据表来表示。当以前用来建立内部等式和数据的前提假设因技术发展而不再成立时,静态模型就不能在深亚微米设计中表达出实际的行为特性,例如传统静态模型就不能说明驱动引脚、连线以及吸收引脚之间的动态关系,可能导致分析时产生严重错误。
这种静态建模方法甚至还会造成各EDA工具得出的结果不一致,这是因为各应用对静态模型的解释是不同的。事实上,只有当这些EDA工具采用同一估计算法来计算模型时,使用同一种静态模型的不同工具才能得出一致的结果。遗憾的是,当今大多数设计流程都混合使用不同供应商的EDA设计工具,这从根本上导致了时序和功耗估算结果的不一致性。
动态模型=数据+算法
新型建模方法要求模型本身能评估一些核心算法,如延迟计算等,以便为设计工具动态提供说明芯片内部变化的特例数据。这类动态模型在模型内部将数据和算法结合在一起,可以使模型对所有的应用都一致。此外,动态模型还提供了一种方法可以确保新型分析对于整个设计而言都是完整一致的。
因为动态模型将数据和算法内容融合到一个单元中,所以它们可储存为一个UNIX共享目标库,并在运行时加载到应用中。此外,动态模型能以针对特定应用的方式(即为设计工具提供说明特定工艺、温度和电压条件的数据)通过自动适应环境缩小防护带(guard band)。设计人员也能够利用动态模型开发先前应用中没有包含的先进算法,例如,通过使模型包含IR压降(IR drop)因素,那么采用该模型的任何一个应用就都能将IR压降的效果计算在内,而不管应用是否原来就打算这样做。与之相反,静态模型则促使库提供者仍使用已证明不够精确的旧的数据表示。此外,新的静态模型只有当设计流程中每个应用都能使用新静态数据格式时才能被分配和使用。
算法内容
算法内容为什么如此重要？让我们先来回顾一下几年前的互联网浏览器。在Java、脚本语言(如JavaScript)以及插件(如Flash)推出和被业界采用之前,互联网浏览器只能显示Web页面上的纯数据内容(HTML),由各浏览器负责解释和表现HTML的内容(现在也仍然还是),很自然地,不同的浏览器对同样的HTML内容会有不同的解释和显示效果。
随着Web页面变得更加复杂,浏览器开发人员又设计出一些扩展指令以完成所需的功能或显示新的特性。尽管一些扩展指令成为了事实标准,但仍然有一些只能用在特定的浏览器上,其他浏览器要么忽略这些不认识的标记,显示成一个灰框,要么干脆死机。结果Web设计人员发现自己两头为难,一方面迫切地需要超越静态HTML页面的效果,而另一方面不同浏览器在显示结果方面又先天性存在严重的不一致。
不过,有了Java、脚本语言和插件之后,Web页面设计人员现在设计的页面能够准确地实现所要求的功能和特性,而不必考虑静态HTML的限制。事实上,他们可以将HTML数据和新算法结合起来,确信使用最新式浏览器的任何人都可以看到同样的结果。
特例行为模式
动态模型之于IC设计应用相当于Java插件之于Web页面,与所有应用流程中广泛采用的将模型内容限制为静态表示不同,动态模型扩展了应用的准确性和可用性。通过运用标准的应用程序接口(API)在应用和模型之间通信,数据可以按照应用和模型双方的需求组织起来以满足其自身算法的需要。应用不必知道模型如何计算出需要的值,只要用公开的API向模型提供数据即可。因此,模型设计人员可以自由选择在准确性和运行时效上都能达到最佳的表现方法。
让我们来看看特例工作点(ISOP)分析的情况。许多应用都需要工作点数据(如电压或温度),这些数据在进行分析的整个设计中都是一样的,但实际上设计的电压和温度通常会显示出明显的变化。过去常采用假定整个单元都是一样的方法来建立用于静态模型的静态电容数据,但这种设定在实际设计中很快就被推翻了。例如,与用ISOP模型相比,用静态模型时时序分析需要辨别更多错误冲突。对致力于提高时序确认速度和准确性的设计人员来说,错误将使其耗费大量的时间和精力。
设计人员通常不得不用外部点工具去分析特例变量,然后用外部方法如标准延时格式(SDF)对这些变量进行解释,每个工作点分析都意味着执行了另一个外部应用和返回解释。如果检测到冲突,设计人员常常收紧约束强迫应用更进一步优化设计。然而收紧约束是一把双刃剑,因为如果只是针对造成冲突的因素那么约束很难应用:应用改变返回解释的部分后,它会恢复单元以前的表述内容和互连数据,而这些都是最初产生错误结果的信息。在任何情况下,收紧约束都会导致应用花费大量CPU时间,去优化那些并不重要但却与这些新的收紧约束相冲突的通路。
有了ISOP模型,应用无需用外部返回解释工具即可使用特例变量。时序和功耗算出来后模型算法就能对特例条件进行评估,然后在构建、分析和优化时将这些变量考虑进去。结果应用在整个执行期间都采用一致并且准确的数据,能在更短的时间内产生出更好的结果。标准动态模型接口
动态模型只有在所有应用都坚持采用一个API激活模型和提取数据时才是可行的。1999年IEEE批准了延迟和功耗计算系统标准(IEEE1481-1999),IC设计和分析工具可以用它确定单元和互连的时序和功耗特性。该标准最早由IBM提出并得到SI2(Silicon Integration Initiative)的推荐,开放式库API(OLA)作为它的一个补充,包括了一些功能和特性。
标准最初推出时,只能用一种称为延迟计算语言(DCL)的脚本语言生成这些动态模型,DCL由IBM捐赠给SI2,以推动动态模型的推广。最近Silicon Metrics公司推出了自己的动态模型编译器即开放模型编译器(OMC),生成的动态模型称为SiliconSmart模型(SSM)。
设计人员突破0.15微米障碍后,物理相互作用的复杂度不断增加需要一种新的架构对具体IC电气特性进行建模,它必须要能解决系统级芯片(SoC)设计中的精确性、高吞吐率和容量之间互相对立的需求,动态模型正好提供了这样的架构。
动态模型将硅供应商的经验和知识产权带给工程师,它还通过将新的物理现象和算法加入到模型中扩展现有工具的基本功能,使得设计师可以对0.15微米以下设计中重要的噪声、功耗和其它严重影响进行说明,提高了精度和一致性,工程师也因此可以更快地完成时序确认并压缩防护带,这也意味着在硅片尺寸、功耗及成品率上的节约。把动态模型和刚出现的物理综合工具配合一起使用,将有助于设计人员在更短的时间内做出更好的芯片。
作者:John Croix
技术总监
Silicon Metrics公司
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