如何將電源完整性分析與簽核的速度提高10倍？

　　簡(jiǎn)介

　　為了滿(mǎn)足移動(dòng)計算的各種要求，片上系統的設計變得越來(lái)越復雜。隨著(zhù)消費者開(kāi)始青睞更小巧、性能更好、電池續航時(shí)間更長(cháng)的設備，設備中所使用的芯片必須能提供更豐富的功能，更低的能耗以及更小的尺寸。對設計工程師來(lái)說(shuō)，這些變化意味著(zhù)他們在設計過(guò)程中必須運用先進(jìn)的電源技術(shù)（例如電源控制開(kāi)關(guān)）、增加知識產(chǎn)權的內容和功能（例如模擬/混合信號宏指令）以及減少設計裕度（例如電源電壓小于1V）。另一方面，產(chǎn)品上市周期變得越來(lái)越短，因此在設計周期的最后階段，電源簽核對成功將設計方案送交制造來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

　　至今，可用的電源簽核技術(shù)仍未能跟上創(chuàng )新的步伐。例如，一直以來(lái)額外的運行時(shí)間都是妨礙設計者們完整而全面地進(jìn)行電源完整性分析和優(yōu)化的一個(gè)瓶頸。然而，現在有一種新工具可以解決這個(gè)問(wèn)題，它利用先進(jìn)的大規模并行算法和分層結構將電源完整性分析和簽核的速度提高到原來(lái)的10倍，同時(shí)還能達到類(lèi)似于SPICE 的準確度。另外，作為從芯片到系統的整套流程中的一部分，該工具通過(guò)提高整個(gè)設計周期的生產(chǎn)力而加速設計收斂流程。

　　日益復雜的產(chǎn)品設計亟需電源完整性分析新工具

　　產(chǎn)品設計的復雜度越來(lái)越高，產(chǎn)品尺寸越來(lái)越小，而且對產(chǎn)品分析的要求也越來(lái)越復雜，這增加了完成電源完整性分析和簽核所需的時(shí)間。如果使用“平面”設計方法把設計拉平成為高級別的一層，則不足以分析擁有數億實(shí)例的超大規模設計。當前的解決方案趨向于將設計分析劃分成與“單點(diǎn)工具”對應的多個(gè)部分，這些工具在準確性或易用性方面并不能達到高級片上系統的要求。

　　另外，由于當前的解決方案是使用單點(diǎn)工具，因此無(wú)法有效地評估電源對時(shí)序收斂的影響，而時(shí)序對電源（VDD）卻是最為敏感的。此外，高級節點(diǎn)設計技術(shù)及技巧（如FinFET工藝和三維芯片（3D-IC）封裝）也帶來(lái)了新的挑戰。例如，隨著(zhù)FinFET器件的部署，會(huì )因為垂直電流方向、功率密度增加等因素而產(chǎn)生新的電遷移規則。而隨著(zhù)三維堆疊式芯片的部署，會(huì )有電熱協(xié)同仿真的新需求。為了讓設計工程師們滿(mǎn)足上市周期和產(chǎn)品質(zhì)量的相關(guān)要求，需要一個(gè)涵蓋芯片、封裝以及系統的完整電源完整性分析方案。

　　完美的電源完整性分析工具需具備哪些功能？

　　當出現漏泄增加、溫度變化，或者由于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)IR壓降造成工作電壓下降等場(chǎng)景時(shí)，一項設計可能失敗。無(wú)論是對于數百萬(wàn)門(mén)級設計還是對于多顆裸晶而言，能在設計早期階段就對電源和IR壓降約束進(jìn)行調試并證實(shí)其符合要求，是節約寶貴的開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間的關(guān)鍵。換句話(huà)說(shuō)，盡早找到芯片上的“熱點(diǎn)”有助于防止芯片性能下降（圖1）。

　　為了能更好地支持高級片上系統設計，完美的電源完整性分析工具應具備以下功能：

　　● 能計算芯片上的漏泄以及開(kāi)關(guān)和內部耗能；

　　● 能對電源網(wǎng)絡(luò )的電源完整性進(jìn)行分析（IR壓降檢測及電遷移檢測）；

　　● 能就電路中去耦電容單元和電源控制開(kāi)關(guān)的最佳尺寸和布置方式提供建議，從而對設計方案中的物理實(shí)現電流進(jìn)行優(yōu)化；

　　● 能評估IR壓降對包括靜態(tài)時(shí)序分析在內的設計收斂的影響。

　　利用在生產(chǎn)過(guò)程中已得到驗證的和具備簽核質(zhì)量的算法和引擎，Cadence公司開(kāi)發(fā)出了一種既能覆蓋整個(gè)芯片又能顧及芯片上所有單元的新型電源完整性分析工具（即Voltus集成電路電源完整性分析解決方案），該工具能提供上述所有功能。它的分析速度比其他同類(lèi)解決方案快10倍，同時(shí)還提供了類(lèi)似于 SPICE的準確度。此外，臺灣積體電路制造股份有限公司（TSMC）已經(jīng)通過(guò)16nm級FinFET工藝對這種工具的性能進(jìn)行了驗證。因此，工程師們可以相信該工具能夠跨越不同的設計規則而給出準確的分析結果。 大規模并行處理可加快分析速度

　　與現有的其他技術(shù)相比較，Voltus集成電路電源完整性分析解決方案在性能、準確度和設計收斂方面均有所提高。在性能方面，該工具使用先進(jìn)的大規模并行算法，從而使分析速度比同類(lèi)解決方案快10倍。

　　為了進(jìn)一步體現這種工具的快速分析性能，下面將以早期測試版客戶(hù)提供的位于高級流程節點(diǎn)的擁有數億實(shí)例的超大規模設計場(chǎng)景