IC設計中Accellera先進(jìn)庫格式語(yǔ)言與EDA工具的結合應用

先進(jìn)庫格式(ALF)是一種提供了庫元件、技術(shù)規則和互連模型的建模語(yǔ)言，不同抽象等級的ALF模型能被EDA同時(shí)用于IC規劃、原型制作、實(shí)現、分析、優(yōu)化和驗證等應用中。本文在介紹ALF概念的基礎上，詳細討論了使用ALF時(shí)庫元件與IC的設計流程，同時(shí)還介紹了IC分層實(shí)現與原型制作的方法。

在IC設計中，常常會(huì )發(fā)現半導體性能與得到的設計結果之間存在差距，這些差距最終要靠新一代EDA工具來(lái)彌合。一般說(shuō)來(lái)，要想消除差距就必須將以前孤立的設計任務(wù)集成到一起，或者將以前零散的設計方案進(jìn)行統一。

例如過(guò)去在設計和測試之間就存在隔閡，現在用可測性設計的概念可加以解決，在綜合和布局之間的矛盾最近也有了物理綜合概念方案，下一個(gè)計劃目標是針對設計和掩膜生成之間的問(wèn)題，希望能用可制造性設計的概念解決。

然而在庫的創(chuàng )建和具體設計之間依然還存在矛盾，就像數據總在前后端設計之間傳來(lái)傳去類(lèi)似，帶有預定義建模概念的庫也是在供應商和用戶(hù)之間倒來(lái)倒去。

庫元件由供應商進(jìn)行定義，建模概念則是EDA應用所要求的，設計人員沒(méi)有選擇，有什么庫元件就只能用什么，不可能去深入理解更不用說(shuō)修改了，庫的內容可能會(huì )超出所選EDA工具處理的范圍。隨著(zhù)設計復雜性、性能和費用不斷增加，預定義庫的概念也很成問(wèn)題，例如在設計項目開(kāi)始時(shí)，用戶(hù)可能會(huì )在用于某種特定技術(shù)的庫實(shí)際出現以前，就希望能了解用該技術(shù)實(shí)現設計是否有意義。

在設計實(shí)現過(guò)程中，用戶(hù)需要創(chuàng )建一些模塊作為可重復使用的庫元件，結束時(shí)如果可用庫元件(如具有正確驅動(dòng)能力的單元)不多，用戶(hù)將只需做很少的布局優(yōu)化就能滿(mǎn)足性能目標。在設計過(guò)程中任何時(shí)候，用戶(hù)都可能要按不同程度的抽象和精度對時(shí)序、功率、電氣性能、擁塞、路由性能及其它設計特性進(jìn)行評估。

Accellera ALF是一個(gè)新完成的IEEE標準，其設計可使用戶(hù)對庫及設計流程中的應用有更強的控制和影響能力。ALF不像傳統庫格式那樣僅僅是一個(gè)數據信息庫，它是一種智能型自擴展建模語(yǔ)言，可對庫元素的功能、電氣和物理模型，包括技術(shù)規則、單元、構建模塊和互連等提供語(yǔ)義支持。

ALF支持完整的RTL到功能、ASIC和SoC技術(shù)庫電氣性能與布局視圖的GDSII描述，適合從單元到復雜的分層設計模塊。ALF是一個(gè)經(jīng)生產(chǎn)驗證的標準，得到先進(jìn)半導體供應商和用于0.13μm及更小工藝技術(shù)的下一代EDA工具的支持。

ALF的抽象范圍可用于行為、RTL、門(mén)級和布局，它不是憑空開(kāi)發(fā)的，而是現有庫格式的超集，很容易從現有格式轉換過(guò)來(lái)。ALF的結構原理非常簡(jiǎn)單很容易掌握，它主要關(guān)注內容而不是格式細節和各種限制。

從應用的觀(guān)點(diǎn)看，語(yǔ)言元素可和建模域聯(lián)系起來(lái)，它可以是功能域、電氣域或物理域。但ALF描述功能主要來(lái)自與域無(wú)關(guān)的語(yǔ)言元素，如模板(用于重復使用庫描述)和算術(shù)模型(用于數學(xué)描述量的計算)。

庫元件創(chuàng )建和描述

ALF可用來(lái)指定一個(gè)庫元素如單元所需的功能和描述，單元規格包括單元名稱(chēng)和終端(即引腳)與單元所執行功能的形式描述，形式描述可以在VHDL或Verilog等語(yǔ)言中生成硬件描述語(yǔ)言(HDL)仿真模型。

可生成多種HDL模型用于不同的目的，這里的不同根據用戶(hù)對模型風(fēng)格的愛(ài)好而不是由單元功能來(lái)決定。例如某個(gè)模型可以用一種粗略的方式處理未知邏輯狀態(tài)，以便快速仿真，而另一個(gè)模型則可用非常具體的方式處理未知邏輯狀態(tài)，這樣仿真就要慢一些，但更精確。ALF模型可作為公共參考，用于所有這些HDL模型。

單元的物理布局以GDSII格式表示，SPICE格式的晶體管級網(wǎng)表可從物理層中提取，這樣的晶體管網(wǎng)表中包括了寄生電氣分量?；蛘咴O計人員也可用手工或EDA工具創(chuàng )建晶體管網(wǎng)表，將ALF描述的功能規范映射到晶體管網(wǎng)表中。這種網(wǎng)表的精度要低于從布局中提取，但對制作原型庫還是有用的。

晶體管網(wǎng)表和各鐘HDL模型都能和ALF描述的功能規范進(jìn)行比較，更重要的是，晶體管網(wǎng)表還能用來(lái)描述單元的性能，以便通過(guò)運行SPICE仿真來(lái)測量時(shí)序、功率、噪聲和其它電氣特性。

SPICE仿真由描述工具進(jìn)行控制，該工具從ALF表示的規范中推斷出相關(guān)信息，只要這個(gè)信息與單元本身的功能相關(guān)，例如需要描述的時(shí)序曲線(xiàn)可在A(yíng)LF中表示，也可從ALF中推出。描述工具的輸出是庫單元模型，帶有特性數據，同時(shí)也在A(yíng)LF中表示，另外也可用庫編輯器將所有庫單元模型組合成一個(gè)二進(jìn)制文件，作為EDA應用工具的數據準備。

IC實(shí)現與性能分析

ALF庫可用在以單元作為構建模塊的IC實(shí)現流程中(圖1)。在該流程里，RTL設計描述通過(guò)RTL綜合工具轉換成網(wǎng)表，網(wǎng)表含有單元示例，這里稱(chēng)為門(mén)而不是晶體管，它使用ALF庫尋找將RTL描述映射到含有單元示例網(wǎng)表所需的庫元件。ALF單元模型不會(huì )描述單元中的晶體管。

等價(jià)檢查工具將RTL設計描述與網(wǎng)表進(jìn)行比較，以確定RTL到網(wǎng)表的轉換是否正確，它可用與RTL綜合工具相同的ALF庫。同樣，HDL模擬工具(圖1中沒(méi)有顯示)也能用來(lái)確定RTL設計描述和網(wǎng)表行為在響應給定激勵時(shí)是否與預期的一樣，該模擬工具可使用ALF模型或從ALF模型提取出來(lái)的HDL模型。

圖1的流程已經(jīng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，像數據通路結構創(chuàng )建、與可測性設計(DFT)有關(guān)的結構創(chuàng )建以及特殊掃描插入等特殊網(wǎng)表轉換沒(méi)有顯示在圖中，ALF單元模型含有與這些應用有關(guān)的信息。

單元布放和內部互連布線(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)稱(chēng)為布局，電源或時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )結構之類(lèi)特殊布局沒(méi)有在圖1中明確表示。ALF單元模型含有抽象物理信息，像單元大小和形狀、單元引腳和路由障礙位置、大小和形狀等等，這些都與布局有關(guān)。

同樣，與單元內布線(xiàn)圖有關(guān)的抽象信息也能在A(yíng)LF中表示，包括特定層布線(xiàn)區域、邊界和連接特性，這些信息與制造能力有關(guān)，像天線(xiàn)規則和金屬密度檢查之類(lèi)。除了單元模型，布線(xiàn)規則也在A(yíng)LF中表示，這部分包括布線(xiàn)段寬度和長(cháng)度的限制、布線(xiàn)段之間的距離以及通孔之間的距離等。

已實(shí)現的IC不僅要按功能和布局進(jìn)行校正，還必須滿(mǎn)足電氣性能條件制約，主要是時(shí)序方面，其它電氣性能如功耗、信號完整性和可靠性也變得越來(lái)越重要，信號完整性指信號波形的干凈程度、對串擾噪聲的抵抗性和電壓降。

可靠性是指在電遷移應力、熱電效應和熱不穩定性存在情況下的長(cháng)期運行穩定性。ALF單元模型支持用于時(shí)序、功率、信號完整性和可靠性的數據描述，如可靠性數據可描述為對電壓、電流或工作頻率的限制條件。

ALF的一個(gè)特殊之處是這些數據在激勵中的表達方式，它通過(guò)矢量表達式進(jìn)行表述，數據可用這種特性與特定環(huán)境的運行條件聯(lián)系起來(lái)，以完成更為精確的性能分析。

IC實(shí)現過(guò)程每一步都要進(jìn)行性能分析，RTL綜合、單元布放和互連布線(xiàn)應用已經(jīng)包含了靜態(tài)時(shí)序分析(STA)和其它性能分析功能。同樣，在每步完成之后，還可進(jìn)行獨立的性能分析，以便更精確地測量得到的性能。

電氣性能不僅取決于單元間的相互作用，還與連線(xiàn)所引起的寄生現象有關(guān)。網(wǎng)表生成以后，寄生參數可以用線(xiàn)負載模型(WLM)進(jìn)行統計預估。布局后通過(guò)預先估算布放單元引腳間特定的布線(xiàn)長(cháng)度能精確預計到寄生參數，布線(xiàn)完成后，實(shí)際寄生參數利用標準寄生參數交換格式(SPEF)在文件中進(jìn)行提取和表達。

ALF互連模型能夠描述統計的WLM，它是一個(gè)根據估計的布線(xiàn)或互連分析模型進(jìn)行寄生參數評估的規則?；ミB分析模型可以指定寄生現象所需間隔，以及根據寄生參數示例和驅動(dòng)器單元電氣模型來(lái)計算時(shí)序、噪聲、電壓和電流。特定驅動(dòng)器單元電氣模型所用數據在A(yíng)LF中表現為單元特性數據的一部分。

IC分層實(shí)現與原型生成

以單元作為構建模塊的IC實(shí)現流程受到單元和網(wǎng)絡(luò )等目標數目的制約，可由設計人員和應用流程進(jìn)行處理。對于超過(guò)目標限制但還可以處理的IC，可以使用下面方法，這些方法也可組合使用。

* 自底向上設計：首先由單元創(chuàng )建較大的構建模塊，然后使用這些模塊來(lái)實(shí)現IC。

* 自頂向下設計：首先將設計分成子設計，實(shí)現子設計作為模塊，然后將這些模塊組裝起來(lái)。

* 原型制作：首先為整個(gè)設計做一個(gè)簡(jiǎn)化所謂的虛擬實(shí)現，然后將虛擬實(shí)現分割為不同的模塊，使用虛擬實(shí)現的結果作為每個(gè)模塊實(shí)際實(shí)現的限制條件，最后再把各模塊組裝起來(lái)。

所有這些方法的共同點(diǎn)是創(chuàng )建模塊，以減少應用面對的對象數量，模塊創(chuàng )建流程見(jiàn)圖2。

模塊可用基本IC實(shí)現流程來(lái)創(chuàng )建(見(jiàn)圖2)，可以再使用的模塊一般稱(chēng)為IP。對“硬”模塊來(lái)說(shuō)，實(shí)現流程主要的輸出是帶布局布線(xiàn)的門(mén)級網(wǎng)表，保存下來(lái)后最終轉換為物理布線(xiàn)圖，而“軟”模塊只有設計主要輸出即RTL設計表述被保存下來(lái)。

設計流程輸出只用于模塊描述，即創(chuàng )建用于模塊的抽象模型，模塊描述包括了在特性描述和接下來(lái)的抽象中反復進(jìn)行的性能分析。抽象含有減少物理實(shí)現數據以及性能分析數據和特定模型的關(guān)系方面的內容，模型規范和模型本身兩者都能用ALF進(jìn)行表述。

流程的變量包括IC部分實(shí)現，如只做RTL綜合和布放而沒(méi)有布線(xiàn)，這特別適用于不保留實(shí)現數據的軟模塊。不保留模塊實(shí)現數據的概念是通過(guò)之后在其它模塊上下文中完成，而不是在前端單獨實(shí)現，這樣可獲得更好的整體性能效果。

根據模塊是用作硬模塊還是軟模塊，ALF模型能表述不同等級的抽象。用作硬模塊的ALF模型具有和單元ALF模型相同的特性，此外，網(wǎng)表和表述實(shí)現流程輸出的寄生參數可部分保留在A(yíng)LF模型中，特別是在模塊邊界處。這樣就能在一個(gè)IC實(shí)現的上下文中對相鄰模塊之間的電氣相互作用進(jìn)行精確分析。另一方面，用于軟模塊的ALF模型可以表述一個(gè)統計范圍，或者描述數據的上下邊界，而不是“硬”的特性數據，這是因為實(shí)際模塊實(shí)現具有一定程度可變性，此外統計得出的WLM也能裝在模塊模型中。

ALF支持用參數表示模塊特定建模特性，即可用各種物理形狀和大小以及可變位寬與特性實(shí)現的模塊，ALF里的組、模板、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模板等概念都能這樣用。

不管是硬模塊還是軟模塊，創(chuàng )建IC現在可以用模塊抽象模型作為庫元件而不是單元。用類(lèi)似方法，由于單元ALF模型不能反映晶體管級實(shí)現的細節，所以模塊的ALF模型無(wú)法揭示門(mén)級實(shí)現的細節。然而模塊ALF模型依然能提供足夠的信息用于執行或開(kāi)發(fā)IC實(shí)現應用，還能分析性能以及在邏輯與物理設計方面的兼容性。IC設計是在特定限制條件下進(jìn)行的，環(huán)境限制包括封裝特性、PCB、工藝范圍如電壓及溫度(PVT)條件等，其它條件屬于通用可應用物理設計規則，如可用布線(xiàn)層、保留用于電源的布線(xiàn)數和在芯片邊緣與中心可用于I/O引腳的位置等。

原型制作可用來(lái)評估設計能否在這些條件下實(shí)現，ALF中的電氣特性數據如時(shí)序、功率、噪聲、物理與電氣規則、寄生參數評估模型等均能表達為環(huán)境條件的數學(xué)方程式。圖3顯示了IC原型制作和層次實(shí)現的流程，其中包含了ALF模型不同的抽象級。

設計規劃和原型制作使用模塊預定義模型作為庫元件，稱(chēng)為“庫模塊模型”。設計被分割成子設計，在模塊創(chuàng )建過(guò)程中，將模塊實(shí)現和特性描述組合用于每個(gè)子設計，用于每個(gè)模塊的可應用庫元件就是單元。

模塊創(chuàng )建以后輸出的是子設計特性模型，稱(chēng)為“設計模塊模型”。設計模塊模型可反復進(jìn)行設計規劃，結果可能需要對設計進(jìn)行細化和再劃分。按子設計限制條件對每個(gè)模塊進(jìn)行評估后，再按通用設計限制對虛擬組裝模塊作評估，如果評估滿(mǎn)意，模塊實(shí)現的結果即每個(gè)模塊帶布局和布線(xiàn)的網(wǎng)表將被實(shí)際組裝形成IC。

IC設計可以使用單元、硬模塊加軟模塊、固定規范模塊以及參數化模塊等各種組合作為庫元件，有些庫元件可獨立于設計使用，而另外一些則要在設計中創(chuàng )建，只能用于特定的設計。軟模塊抽象模型可和用于硬模塊的更詳細的模型相連，模塊實(shí)現過(guò)程中，抽象模型也可用更詳細的模型來(lái)替代，整個(gè)流程都要使用技術(shù)規則和互連模型。