基于RSA算法電子系統認證芯片的電源規劃
該電子系統認證芯片采用SMIC 0.18μm 6層金屬工藝,在SoC Eneounter平臺上進(jìn)行物理設計。為了了解整個(gè)芯片的布線(xiàn)擁塞程度和功耗的大概情況,進(jìn)行正式設計之前,對該芯片進(jìn)行預設計;通過(guò)預設計的結果分析芯片的布線(xiàn)擁塞情況,并對布局布線(xiàn)后的功耗進(jìn)行預估。在分析預設計的基礎上,針對預設計中存在的問(wèn)題對芯片進(jìn)行詳細的電源規劃,為整個(gè)芯片設計出一個(gè)合理的供電網(wǎng)絡(luò ),使最終的設計實(shí)現面積優(yōu)化,并且滿(mǎn)足功耗、時(shí)序等要求。
1 功耗預估
預設計采用75%的利用率,對該電子系統認證芯片進(jìn)行了粗略的布圖規劃,僅設計了寬度為10 μm的電源環(huán)。為了使芯片功耗的分析結果更接近實(shí)際,對該芯片進(jìn)行了布局、時(shí)鐘樹(shù)綜合和詳細布線(xiàn)等步驟。在時(shí)序收斂的前提下,進(jìn)行功耗分析,工作電壓VDD為1.8 V,得到芯片的總功耗為115.41 mW,包括開(kāi)關(guān)功耗(Switehing Power)、內部功耗(Internal Power)和泄露功耗(Leakage Power)。但是芯片中存在IRDrop違規(即芯片中的電壓降超過(guò)了5%VDD),如圖1所示,左上角的對話(huà)框中列出了存在IR Drop違規的地方,具體位置在版圖中的深色區域。一般情況下,5%的電壓降會(huì )增大10%~15%的線(xiàn)延遲,會(huì )產(chǎn)生時(shí)序違規,使芯片處于不正常的工作狀態(tài),因此,需要在后續設計中進(jìn)行詳細的電源規劃。
式中:n為電源環(huán)的對數。
由式(3)可得所需電源環(huán)的總寬度為64.117μm。為了有效減小電源環(huán)所占據的芯片面積,該設計采用雙層電源環(huán)的設計,橫向采用Met-a13,Meta15;縱向采用Meta14,Meta16,因此n為2,由式(4)可得w為8.015 μm。為了給整個(gè)芯片的功耗預留一定的冗余量,并且金屬線(xiàn)的寬度足夠寬,可以降低由于電遷移導致的電路失效,從反復實(shí)踐中得出,單個(gè)電源環(huán)的寬度取15 μm,可以滿(mǎn)足該芯片電遷移和電壓降的要求,設計好的電源環(huán)如圖2所示。

最后,根據文檔中提供的Rom核工作所需的最大電流值,設計Block Ring為Rom供電。
2.4 電源條的設計
為了解決芯片預設計時(shí)內部IR Drop違規的問(wèn)題,通過(guò)設計電源條(Power Stripe)來(lái)減小芯片內部的電壓降。電源條分為橫向和縱向,縱向電源條寬度設為WV,橫向電源條寬度設為WH,縱向電源條的間距設為SV,橫向電源條的間距設為SH。一般來(lái)說(shuō),由于在橫向有很多標準單元的電源/地線(xiàn),因此需要的橫向電源條線(xiàn)比縱向電源條線(xiàn)要少很多。
對于WV,WH和SV,SH的設定,有以下幾個(gè)經(jīng)驗規則:
(1)WV一般取垂直布線(xiàn)間距(Pitch)的整數倍,其目的是充分利用布線(xiàn)通道。取值不能太大,一般情況下不超過(guò)最小二輸入與非門(mén)寬度的4倍。
每一層金屬的Pitch在物理庫中都有相應的定義。SMIC的0.18μm工藝庫中所定義的Meta11~Meta16的Pitch如表1所示。

SMIC的0.18μm工藝庫中最小二輸入與非門(mén)的寬度為1.98μm。因此,若采用Meta12或Meta14作為縱向電源條,WV取0.66~7.92μm之間0.66的整數倍值;若采用Meta16作為縱向電源條,則WV取0.95~7.92μm之間0.95的整數倍值。
(2)WH的取值一般是標準單元高度的整數倍,通常選擇1倍或2倍;也可以將電源條線(xiàn)的寬度設為整數。SMIC 0.18μm工藝庫中標準單元的高度為5.04μm,則橫向電源條的寬度取5.04μm或10.08μm。
(3)在電源條金屬層的選擇上,根據LEF的規定,縱向選擇偶數層,橫向選擇奇數層。由于高層金屬具有較小的寄生電阻,用高層金屬走線(xiàn)可以有效地減小電壓降。
(4)確定電源條線(xiàn)的寬度后,需要計算其間距SV,SH??筛鶕墨I中提出的方法進(jìn)行計算。
如圖3所示的電源網(wǎng)格,在估算出Core內部橫/縱向供電金屬條寬基礎上,可以求出功耗為P的總電流JTOTAL=P/VDD。


假設圖3中A點(diǎn)有5%的電壓降,那么位于A(yíng)點(diǎn)其有效電阻分別為:


式中:RVW和RHW分別是豎直方向和水平方向的參考方塊電阻。
假設N為縱向電源條線(xiàn)的對數,M為橫向電源條線(xiàn)的對數,則其值分別為:

最后,若所設計的縱向電源條和橫向電源條是均勻分布在芯片內核,則縱向電源網(wǎng)格的間距SV和橫向電源網(wǎng)格的間距SH分別為:

首先對縱向電源條進(jìn)行設計。由于電源條位于芯片內部,將占據一定的布線(xiàn)資源,而布線(xiàn)器一般是優(yōu)先選用底層金屬開(kāi)始布線(xiàn),因此頂層金屬的布線(xiàn)資源比較寬裕。并且,頂層金屬比其他層金屬要厚一些,電氣性能也要好一些,多使用頂層金屬對減小IR Drop有著(zhù)很大的幫助。因此選用Meta16作為縱向電源條。根據實(shí)際情況,縱向電源條的寬度WV取為7.6 μm。芯片內核區域的寬度W為1 578.085μm,高度H為1 567.44μm,因此由上述公式可得該系統認證芯片所需電源條的總對數N為5.749,取N=6,即在芯片內核區域均勻放置6對寬度為7.6μm的Meta16電源條,每對電源條之間的間距為225.44μm。
接著(zhù)進(jìn)行橫向電源條的設計。選用高層金屬Meta15作為橫向電源條,寬度取為5.04μm,由上述公式可得,所需橫向電源條的總寬度為87.424 μm。但是,實(shí)際上并不需要這么多電源條,因為標準單元的電源/地都通過(guò)Metal1連接到芯片內核的兩端,并且與縱向電源條相連。該設計共有標準單元行(Row)312行,每行有1對0.4μm的橫向電源條,相當于有312×0.4=124.8μm的電源條,大于所需的橫向電源條總寬度,已經(jīng)足夠供應整個(gè)芯片,使水平方向的電壓降小于VDD×5%=0.09 V。
為了使水平方向的電壓降更小,設計了3對寬度為5.04 μm的Metal5層橫向電源條,均勻分布在芯片內核區域。電源條的設計結果如圖4所示。

經(jīng)過(guò)后續物理設計后,在滿(mǎn)足時(shí)序收斂的前提下,最終詳細布線(xiàn)后電源網(wǎng)絡(luò )VDD功耗分析的結果如表2所示,可看出,電源規劃的設計很好地改善芯片內部的IR Drop,最終芯片內部不存在IR Drop的違規,滿(mǎn)足了功耗要求,如圖5所示。

3 結語(yǔ)
本文主要討論了基于RSA算法的電子系統認證芯片的電源規劃?;赟MIC 0.18μm工藝,首先對該芯片進(jìn)行預設計,通過(guò)對預設計進(jìn)行功耗預估和布線(xiàn)擁塞程度的分析結果,在正式設計時(shí)提高了芯片利用率,減小了芯片的面積;并且通過(guò)詳細的電源規劃(包括雙層電源環(huán)和電源條的設計等)消除了預設計時(shí)存在的電壓降違規,使該電子系統認證芯片最終滿(mǎn)足功耗要求和時(shí)序收斂。
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