教你如何測量芯片數字模擬噪聲

　　1. 簡(jiǎn)介

　　與過(guò)去相比，現代SoC設計的利潤空間更低、掩膜成本更高。這兩點(diǎn)增加了對一次投片成功率的要求。過(guò)去使用的專(zhuān)門(mén)方法已經(jīng)不足以確保一次投片成功率，因此需要新的分析方法。SoC設計的諸多領(lǐng)域都遇到了這一問(wèn)題并已得到妥善解決，因此，芯片的數字部分與模擬部分間的交互便成為最后的棘手問(wèn)題之一。

　　本文將介紹一種利用Primetime-SI（PT-SI）來(lái)測量芯片數字部分對模擬部分產(chǎn)生的串擾的分析方法。內容包括使用此方法時(shí)遇到的問(wèn)題以及各種限制和優(yōu)勢。

　　2. PrimeTime-SI中的噪聲

　　PT-SI用于計算兩種形式的串擾延遲變化和噪聲。近年來(lái)，延遲變化功能受到廣泛的關(guān)注，而噪聲影響則未得到如此多的注意。

　　2.1 PT-SI如何計算噪聲

　　下面的圖1是來(lái)自SOLVNET的圖像，說(shuō)明了PT-SI如何計算噪聲。如圖所示，干擾源在被干擾網(wǎng)絡(luò )中引入了一個(gè)噪聲沖擊，當干擾源的時(shí)序重疊時(shí)，噪聲沖擊便會(huì )疊加在一起。盡管這是一種簡(jiǎn)化的說(shuō)明，但足以達到我們的目的。

　　圖1：串擾和傳播噪聲的組合影響［1］

　　2.2 噪聲類(lèi)型

　　除了噪聲沖擊的時(shí)序關(guān)系，PT-SI還能計算四種類(lèi)型的噪聲沖擊——高于高電平、低于高電平、高于低電平和低于低電平。圖2給出了相應說(shuō)明，該圖同樣來(lái)自SOLVNET。盡管PT-SI的假設（即，地或VDD中出現噪聲）不一定適合模擬網(wǎng)絡(luò )，但它提供了合理的預估，并且運行時(shí)權衡的重要性應高于引入的任何誤差。

　　圖2：噪聲沖擊類(lèi)型［1］

　　2.3 噪聲特性

　　圖3給出了根據PT-SI特性計算的噪聲沖擊。對于我們的目的而言，只需考慮沖擊的高度，因為模擬網(wǎng)絡(luò )通常與數字網(wǎng)絡(luò )異步，所關(guān)注模擬網(wǎng)絡(luò )的經(jīng)典示例是ADC的輸入。在這種情況下，我們關(guān)注的問(wèn)題是串擾引入的最大誤差，而集中研究高度可以解決這一問(wèn)題，同時(shí)還能簡(jiǎn)化分析。

　　圖3：噪聲沖擊特性［1］

　　3. 能否計算模擬網(wǎng)絡(luò )上的噪聲？

　　3.1 要求

　　在2012年，產(chǎn)品團隊提議CAD部門(mén)尋找一種方法來(lái)分析其設計中模擬網(wǎng)絡(luò )上的噪聲?，F有流程采用一種專(zhuān)門(mén)方法處理噪聲，即，依靠設計人員的經(jīng)驗在需要之處添加屏蔽和額外的間距。對于團隊一直使用的相對較大的幾何工藝而言，這些“屏蔽然后聽(tīng)天由命”的方式足以應對。但若要轉向新工藝時(shí)，則希望可以借助某種分析方法來(lái)改善流程。

　　要起到作用，分析方法必須合理有效，并且最好盡可能地充分利用現有基礎結構。運行時(shí)的性能被認為比絕對精度更加重要；需要考慮最壞情況下的結果。發(fā)現的任何潛在問(wèn)題都可以進(jìn)一步分析，移植步驟也可以實(shí)現。如果發(fā)現了足夠的余量，則可回收先前為屏蔽或間距分配的資源。此外，還需要一種能夠在設計更改時(shí)作為標準回歸流程一部分運行的自動(dòng)化技術(shù)。

　　3.2 實(shí)現中的挑戰

　　PT-SI的噪聲分析功能似乎能夠滿(mǎn)足上述要求。只需寫(xiě)出SPEF和交叉耦合電容并確保模型支持SI分析，便可將該功能添加到現有流程中。但是，PT-SI針對同步數字網(wǎng)絡(luò )而設計。它能夠計算模擬網(wǎng)絡(luò )上的噪聲沖擊嗎？如果能，它將如何處理數字干擾源在異步模擬網(wǎng)絡(luò )上的時(shí)序？PT-SI能夠處理作為干擾源的模擬網(wǎng)絡(luò )嗎？如果能，它將如何處理？在SolvNet或Web上進(jìn)行搜索對回答這些問(wèn)題沒(méi)有太大幫助，也難以找到人們使用PT-SI分析模擬網(wǎng)絡(luò )的任何證據。

　　3.3 尋求解決方案

　　3.3.1 PT-SI能夠計算模擬網(wǎng)絡(luò )上的噪聲嗎？

　　由于我們了解自己的工作范圍超出了PT-SI的設計意圖，因此先從最基本的問(wèn)題開(kāi)始——PT-SI能夠計算模擬網(wǎng)絡(luò )上的噪聲嗎？要回答這個(gè)問(wèn)題，需要找到獲取噪聲沖擊的命令（report_noise_calculation），然后在模擬網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行嘗試。得出的答案是“可以”，即，PT-SI可以計算模擬網(wǎng)絡(luò )上的噪聲。然后下一個(gè)問(wèn)題是：它究竟如何計算該異步模擬網(wǎng)絡(luò )上的噪聲沖擊？其行為與預期相同，還是因被干擾網(wǎng)絡(luò )的性質(zhì)而有所不同？

　　3.3.2 PT-SI如何計算模擬網(wǎng)絡(luò )上的噪聲沖擊？

　　要利用PT-SI計算模擬網(wǎng)絡(luò )上的噪聲沖擊，需要哪些模型增強功能或額外設置？PT-SI會(huì )按預期處理被干擾網(wǎng)絡(luò )上的干擾源，還是將所有干擾源視為異步干擾源（就像干擾會(huì )產(chǎn)生過(guò)度糟糕的結果一樣）？它會(huì )因模擬網(wǎng)絡(luò )由黑盒驅動(dòng)而忽略作為干擾源的這些模擬網(wǎng)絡(luò )嗎？

　　第一個(gè)問(wèn)題需要搜索文檔來(lái)找到合適的命令。有兩個(gè)命令可用于被干擾網(wǎng)絡(luò )上的驅動(dòng)器和負載引腳。Set_noise_lib_pin或set_steady_state_resistance定義驅動(dòng)器的強度，而set_noise_immunity_curve或set_noise_margin則定義負載引腳對所引入噪聲沖擊的容限。盡管并未嚴格要求定義負載引腳的容限，但它可提供一種方法來(lái)實(shí)現自動(dòng)校驗：PT-SI計算噪聲的余量，結果可能滿(mǎn)足要求或違反要求（就像時(shí)序校驗）——如果噪聲超出限制，便可輕松實(shí)現自動(dòng)校驗。

　　回答第二個(gè)問(wèn)題需要閱讀更多文檔并進(jìn)行一些實(shí)驗。相關(guān)文檔指出，模擬網(wǎng)絡(luò )上的噪聲沖擊應按預期計算：按時(shí)放置同步數字干擾源并計算其影響，隨后添加重疊沖擊來(lái)計算最壞情況下的噪聲沖擊。異步干擾源會(huì )置于最糟糕的點(diǎn)上，其影響也將按預期添加。

　　實(shí)驗大體上證實(shí)了我們的預期，即噪聲沖擊由大量數字干擾源組成。令人驚訝的是，盡管如此，仍然存在許多模擬干擾源（包括很多最大的干擾源）。進(jìn)一步研究發(fā)現，即使在這些網(wǎng)絡(luò )由黑盒驅動(dòng)時(shí)：如果已為這些干擾源定義了時(shí)序，PT-SI會(huì )推斷出其輸出上的轉換，從而產(chǎn)生異步干擾源。此干擾源隨后按預期進(jìn)行處理，其影響會(huì )按時(shí)置于最糟糕的點(diǎn)上。PT-SI會(huì )自動(dòng)過(guò)濾大多數小干擾源。由于我們希望得到最壞情況下的噪聲沖擊，因此將si_filter_per_aggr_noise_peak_ratio和si_filter_accum_aggr_noise_peak_ratio變量設置為0，從而使PT-SI的分析中包含所有干擾源。

　　3.4 遇到的挑戰

　　我們在研究早期遇到的一個(gè)問(wèn)題是set_noise_lib_pin無(wú)法對雙向端口起作用，而所關(guān)注網(wǎng)絡(luò )上的許多引腳的模型都是雙向引腳。當模型尚不具備模擬網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)器的相關(guān)細節時(shí)，這將限制我們使用set_steady_state_resistance。這并非一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，但確實(shí)從工具箱中移除了某個(gè)工具。

　　深入分析初步結果會(huì )發(fā)現一個(gè)更微妙的問(wèn)題：當這些網(wǎng)絡(luò )之一受到多重驅動(dòng)時(shí)，PT-SI會(huì )忽略任何標注信息并計算轉換，同時(shí)僅發(fā)出隱藏的RC-002警告（“RC-002（警告）：網(wǎng)絡(luò )’%s’僅控制多重驅動(dòng)網(wǎng)絡(luò )’%s’的一個(gè)驅動(dòng)器子集，因此無(wú)法使用詳細的RC延時(shí)計算。”）。這種轉換極其糟糕（引起的噪聲沖擊幾乎占示例中總噪聲沖擊的25%），并且根本不會(huì )嘗試讓轉換成為現實(shí)——即，set_annotated_transition不起作用。PT-SI會(huì )接受在該干擾源的驅動(dòng)器上應用set_annotated_transition，然后忽略向其發(fā)送的任何值，轉而采用內部計算的值。最終，我們使用disconnect_net命令將驅動(dòng)器的數量減少為一個(gè)，并標注一個(gè)有干擾性但真實(shí)的轉換值，如圖4所示。對于這種情況，這會(huì )完全消除干擾源的影響。

　　結論

　　應用PT-SI來(lái)計算模擬網(wǎng)絡(luò )上引入的噪聲是可行的，但存在一定限制。這種技術(shù)可自動(dòng)驗證敏感模擬網(wǎng)絡(luò )在設計定案前是否已充分隔離，也可創(chuàng )造機會(huì )來(lái)提高設計的布通率，具體方法是：恢復先前在關(guān)鍵模擬網(wǎng)絡(luò )附近用于實(shí)現屏蔽或隔離的資源?？稍谧詣?dòng)化流程中引入該分析方法來(lái)替代當前的特殊方法，新的分析方法有助于確保一次投片成功率。