準時(shí)性——高級定制設計的要求

在過(guò)去10年間，對從事模擬、定制數字、RF和混合信號設計的公司需求呈現出了指數增長(cháng)。效益以及競爭正迫使定制設計隊伍采納先進(jìn)工藝技術(shù)，把以前各自獨立的IC功能塊集成到單個(gè)硅片中。事實(shí)上，許多設計隊伍被迫跳過(guò)工藝節點(diǎn)，在0.18mm、0.13mm、甚至納米工藝上進(jìn)行大規模數字邏輯集成。
先進(jìn)的混合信號設計包括超過(guò)10萬(wàn)個(gè)模擬晶體管和超過(guò)上億個(gè)數字晶體管(包括內存)。而且，其封裝、電源網(wǎng)絡(luò )、互連、器件和襯底都要面對數量巨大且還在不斷增長(cháng)的物理效應。如果不解決這些問(wèn)題，上述任何一種因素都會(huì )造成昂貴的重復流片。所有這些使開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足所有規格和進(jìn)度的設計，換句話(huà)說(shuō)就是開(kāi)發(fā)準時(shí)的芯片，變得前所未有的困難。
對于當今設計中的復雜性和物理效率，需要一個(gè)綜合自頂向下速度和自底向上硅精度的高級定制設計方法。大多數先進(jìn)的設計團隊都已經(jīng)轉移到了這種可行的“中間會(huì )師式”方法。但是，這樣做的效率和有效性從根本上受到能力不足的設計環(huán)境的限制。

高級定制設計方法
適用于融合了模擬、定制數字、RF或基于數字單元電路的混合信號設計。這類(lèi)設計需要快速、硅精度的設計方法。
在A(yíng)CD方法中，設計的頂層模型用作目標，設計工作逐步完成，而且自底向上的設計工作可添加其他細節。因此，自頂向下的設計和自底向上的設計最終會(huì )在中間匯合。兩種模型的速度與準確性一起決定了設計平臺的高效性。
主要概念
硅精度
硅精度就是能夠使設計環(huán)境中的所有結果與將來(lái)芯片中的實(shí)際結果一致。
實(shí)現可預測性要求在校準設計過(guò)程中采用仿真與電路模型，以確保設計隊伍獲得實(shí)現成功所需要的正確信息。
已知或預期效果的不準確性已經(jīng)融入到新的高級工藝中，在這些工藝中經(jīng)常會(huì )發(fā)現每周有3~5％的變化。對于設計的大部分來(lái)說(shuō)，這并不會(huì )造成什么問(wèn)題。而對于設計的敏感元件來(lái)說(shuō)，設計者有兩種選擇。第一種選擇是圍繞工藝的變化進(jìn)行設計(例如采用復雜的補償電路)。第二種選擇是隨著(zhù)工藝的偏移而不斷更新設計。
ACD方法使設計隊伍能夠把精力集中到設計的核心部分，同時(shí)實(shí)現已知的相關(guān)芯片效果。因此，這可以實(shí)現更好的模型以及預期效果的校準，同時(shí)在整個(gè)過(guò)程中實(shí)現對工藝變動(dòng)結果的前瞻性管理。
設計相關(guān)資料管理
ACD方法的關(guān)鍵是在設計之初就考慮芯片集成，并根據整體規范推動(dòng)設計。
設計的每個(gè)部分都伴隨有大量設計相關(guān)資料，設計方法必須考慮各部分的設計以及用于支持最終集成的設計相關(guān)資料。另外，ACD方法還必須處理所提供的相關(guān)資料，設計隊伍不必為了支持集成而做額外的工作。
快速自頂向下設計
在仿真和物理設計中廣泛應用了這種快速的自頂向下方法，在系統級和行為級進(jìn)行多級抽象。頂級仿真和物理模型都從抽象和評估著(zhù)手，然后隨著(zhù)設計隊伍工作的進(jìn)展,進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。兩種情況下都始終提供模型，而且模型在設計開(kāi)發(fā)和更新期間用作指南。
例如，利用對模塊大小和縱橫比的初步評估可以建立最初的布線(xiàn)，隨后進(jìn)行頂級抽取。這些信息在前一階段用作模塊規范，從而可以節省模塊設計的時(shí)間。
在前面階段制定并完成仿真與物理設計任務(wù)，并且在設計過(guò)程的驗證、布線(xiàn)、提取和其他步驟一直使用這些任務(wù)。設計隊伍可在早期而不是在出片時(shí)才發(fā)現并解決有關(guān)問(wèn)題。
自底向上設計的硅精度
硅精度的方法采用自底向上的方案在晶體管級進(jìn)行廣泛的驗證，并確保設計符合規范要求。設計人員可以使用詳細的寄生信息在設計規范和工藝上獲得必須的精度。
通過(guò)把硅的測量轉移成詳細的模型，把校準后的模型構建成設計模塊，并最終形成芯片，自底向上的方法可以實(shí)現硅精度。在物理設計領(lǐng)域，引入全面版圖數據來(lái)準確執行芯片分析的能力可以完成設計性能指標的芯片。
自底向上設計過(guò)程還支持抽象能力，其硅精度的校準轉換成能夠在更大仿真中運行的更快模型，其結果可以引入到自底向上的設計流程中。設計人員可以確定下一個(gè)集成級別所需要的校準后模型的準確度，從而確保進(jìn)一步仿真的準確性。
混合級連續設計開(kāi)發(fā)
自底向上方法與自頂向下方法的融合使設計人員能夠根據需要自由調配與組合，從而實(shí)現快速、硅精度的設計。這種混合級能力通過(guò)在大型系統環(huán)境下連續測試控制設計，可以實(shí)現快速、可靠和可預測的設計。連續的設計開(kāi)發(fā)依賴(lài)同時(shí)執行的自底向上和自頂向下設計方法，而且同時(shí)融合了詳細的仿真和物理設計方案。這使設計隊伍能夠在設計數據改變時(shí)監控并標記有關(guān)問(wèn)題。
通過(guò)實(shí)時(shí)把新的頂級設計要求引入到設計模塊級，并確定實(shí)際模塊級設計新的頂級要求，混合級方法還支持快速設計過(guò)程。
中間會(huì )師式方法
定制方法采用中間會(huì )師式(meet-in-the-middle)的方案作為最可行的方法來(lái)實(shí)現復雜設計的可預測性。這種方法把自頂向下設計的快速能力與自底向上設計的硅精度結合在一起。在相互融合后，大部分設計就不能描述為自底向上或自頂向下，而是兩者兼而有之。
如圖1所示，多個(gè)抽象級用于表現設計每個(gè)部分的發(fā)展。在仿真中，最初采用行為模型，隨著(zhù)設計的進(jìn)展，其逐漸變得更為詳細，最后，從后版圖分析引入測量和數據。在物理設計中，隨著(zhù)設計信息的增加而更新最初的尺寸評估和設計塊抽象，從而向頂級的最終、實(shí)際布線(xiàn)發(fā)展。設計人員大部分時(shí)間都是在中間工作，某些設計部分處于快速、自頂向下的階段，而某些部分采用自底向上工藝提供更多設計數據與芯片準確性信息。
抽象級是中間會(huì )師式方法的基礎。仿真抽象范圍包括頂級的純粹行為、芯片準確的校準后模型、工藝的結束。物理抽象范圍從早期評估到最終布線(xiàn)和抽取。這種方法具有整套預定義的抽象級別，它們在整個(gè)設計過(guò)程中不斷更新，而且支持混合級能力。
中間會(huì )師式方法需要在最初把芯片的要求轉換成規格，并且采用系統級模型、測試臺和測量。測試臺可以從特定IC規范(如：802.11a)獲得，并最終引入到規范化的環(huán)境中。規范化的環(huán)境根據設計的原始要求驅動(dòng)芯片級和模塊級測試。
高級定制設計方法
高級定制方法中的芯片準確性
在圖2中，每個(gè)方框都代表芯片的一個(gè)塊，其中包含模塊及模塊I/O要求。從全芯片級來(lái)看，目標仿真系統必須支持從定制到數字的全面混合信號能力。
每個(gè)設計域都需要隨著(zhù)設計過(guò)程的推進(jìn)產(chǎn)生相關(guān)資料的能力。每個(gè)模塊的設計相關(guān)資料(網(wǎng)表、模型、仿真配置等)還必須能夠100％兼容，以確保順利集成。
如果設計人員為了支持集成需要做其它多余的工作，那么就不可能按時(shí)、按預算完成集成。
硅精度系統提高
高級方法的關(guān)鍵是從不忘記以前學(xué)習到的任何東西。隨著(zhù)設計的進(jìn)展，必須快速編碼硅精度系統，并立即投入使用。
這種能力貫穿設計過(guò)程的各個(gè)方面。在設計的底層，應該快速解決裝配過(guò)程的連續更新，因為它會(huì )影響器件及其構建的所有對象?？梢詫?shí)現敏感部件的準確性，并把相關(guān)知識應用到衍生部件和設計中更大的元件。
這些準確性的提高需要一種在設計中快速推廣任何變動(dòng)的機制。
工藝設計包和器件模型
工藝設計包(PDK)把技術(shù)與工藝數據輸入到設計過(guò)程，而且必須被驗證，以支持高級的設計方法。在設計開(kāi)始之前就進(jìn)行最佳定位，設計隊伍必須全面分析和驗證PDK，以確保它可以支持設計工藝。在進(jìn)行最后芯片集成前必須確定風(fēng)險區。
此過(guò)程的最終交付物是支持設計過(guò)程每個(gè)步驟的硅精度PDK。設計工程師應該留下必要的設計容余以便成功，并避免過(guò)多的設計。
PDK在設計過(guò)程中還需要更新。在工藝技術(shù)需要更好的模型來(lái)解決其他問(wèn)題時(shí)，這種要求更為突出。
隨設計采集設計過(guò)程
高級定制方法必須解決新設計中與IP設計、利用及重用相關(guān)的問(wèn)題。如上討論，此過(guò)程的主要方面涉及設計相關(guān)材料的建立與管理，其不但記錄IP，而且記錄測試臺以及利用IP所需要的輔助設計信息。整體來(lái)看，這種要求意味著(zhù)必須隨設計自身一起采集設計過(guò)程。
除非采集了此類(lèi)信息，否則會(huì )限制設計在將來(lái)的重用(無(wú)論是大型設計中的IP還是作為衍生設計的基礎)。因為設計隊伍在盡力重新創(chuàng )建信息時(shí)會(huì )面臨嚴重的時(shí)間問(wèn)題，若不具備這些信息，會(huì )遇到其他問(wèn)題。
設計中自動(dòng)化的應用
設計隊伍的大部分工作都可以自動(dòng)進(jìn)行，前提是已經(jīng)采集了自動(dòng)化的步驟，而且可以重演這些步驟。這非常重要，因為在設計過(guò)程中會(huì )隨時(shí)出現工程變更(ECO)，而且可能需要重新工作、重新驗證。記憶、修改和重復主要工藝步驟的能力可以為設計組帶來(lái)極大的時(shí)間優(yōu)勢。
連續設計驗證
利用在PDK中采集的芯片物理效應以及用于采集設計過(guò)程的機制，設計組現在可以連續對設計進(jìn)行驗證。這就使設計組能夠控制問(wèn)題，并獲得早期糾正所需要的對問(wèn)題的了解。另外，它還可以防止這些問(wèn)題波及整個(gè)設計過(guò)程。
例如，在集成和初期芯片組裝后，如果在某個(gè)關(guān)鍵部件中發(fā)現了問(wèn)題，設計組可能就需要處理整個(gè)設計。如果在問(wèn)題組件與其相鄰組件集成時(shí)發(fā)現并解決該問(wèn)題，就不用擔心其修改會(huì )造成剩余設計部分的重新驗證。

定制設計平臺要求
為了解決效益性、復雜性與物理效應問(wèn)題，定制平臺必須以最高性能提供芯片的硅精度。所提供的芯片準確性在芯片測量方面必須具有堅實(shí)的基礎，而且必須解決設計過(guò)程的物理效應。平臺的性能必須盡可能的快，而且應該使設計組能夠權衡速度與準確性。圖3為Cadence Virtuoso定制設計平臺。
先進(jìn)的硅模型
硅精度是依賴(lài)可預測的設計余量?jì)鹊姆抡娼Y果而預測的，而且由芯片結果對方法進(jìn)行驗證。因此，模型需要構成平臺的組成部分，其底層的仿真器和模型技術(shù)緊密結合，以確保最準確的仿真結果。在設計組對PDK進(jìn)行定制添加時(shí)也需要器件模型，以確保模型在這些添加上的一致性。
高級硅模型包括三個(gè)方面。第一個(gè)方面是提供連續更新的芯片準確的信息，以及在需要時(shí)快速確定并響應變更的能力。第二個(gè)方面是能夠擁有所有工具，而且在適當的時(shí)候，對模型數據進(jìn)行計算時(shí)使用相同的方程式。這種功能可確保設計隊伍能夠把精力集中于設計本身，而不是浪費到設計工具、對芯片數據的闡釋以及針對芯片的校準等。第三個(gè)方面是記憶所學(xué)習的知識并在需要時(shí)運用這些知識的能力。在具備此能力情況下，定制平臺必須允許設計人員采集完整的解決方案(如：測試臺和測量)并在設計流程的各個(gè)部分使用它。
規范化的設計環(huán)境
定制平臺必須提供規范化的環(huán)境，其把設計和規范一起編碼，從而連續的驗證可以在問(wèn)題影響到芯片之前迅速警告設計組未解決的問(wèn)題(如軟件中的spinning與芯片中的spinning不同)。
為了管理大量設計相關(guān)材料并滿(mǎn)足隨設計采集設計過(guò)程的需求，需要一種規范化的設計環(huán)境。這可以實(shí)現輕松的連續收斂，從而支持硅精度的特征化以及仿真策略快速、優(yōu)化的執行。
多模仿真
此方法要求同時(shí)擴展到多個(gè)設計領(lǐng)域(模擬、RF、定制數字、數字標準單元)的全面仿真功能，并支持混合級功能和中間會(huì )師式的方法。定制設計平臺必須提供準確表現從芯片工藝到系統頂層行為模型的每個(gè)設計部分的高級仿真功能。
這種功能的關(guān)鍵是在整個(gè)設計流程提供芯片準確的信息。從行為模型、HDL、主要晶體管級到最高準確性的電路仿真，所有工具都必須能夠利用最新的芯片準確性信息。仿真引擎還必須適當利用通用語(yǔ)法、模型和方程式消除結果之間的差異。
仿真必須深度擴展，以便在最低抽象級支持硅精度以及為快速執行而實(shí)現高級描述。
加速版圖
由于設計規模增加，定制平臺必須為加速版圖提供相關(guān)機制。版圖工具必須在各方面速度都盡可能地快。以便保持系統互動(dòng)。另外還要求自頂向下的平面布局，這有助于設計隊伍快速確保并修復塊布置和后續互連中的問(wèn)題。
隨著(zhù)設計日益復雜化，約束驅動(dòng)、連接驅動(dòng)以及面向設計原則的布線(xiàn)等概念已經(jīng)成為強制性要求。這種功能允許多個(gè)設計人員編碼并遵循設計約束，確保正確的連接并自動(dòng)防止設計原則錯誤。
自動(dòng)化是另一個(gè)主要要求。設計人員必須獲得從單層布線(xiàn)到器件自動(dòng)化、乃至平面布局等各個(gè)方面的工具。
另外，定制平臺必須為通常要求幾百小時(shí)手動(dòng)工作的大型、復雜單元提供版圖綜合功能。
詳細的芯片分析
隨著(zhù)設計趨向完工，則全芯片級需要的芯片分析級也會(huì )隨之提高。定制平臺必須為模擬和混合信號設計中的電源、信號完整性、電遷移(EM)、IR降以及襯底噪聲提供詳細、準確的分析功能。分析中還包括診斷和控制凹陷、侵蝕等制作問(wèn)題的能力。
這些分析依賴(lài)從PDK和仿真結果獲得的數據，以找出通常通過(guò)傳統仿真不能發(fā)現的潛在問(wèn)題。只有通過(guò)支持快速、硅精度過(guò)程中全設計連續發(fā)展的寄生敏感型方法，才能實(shí)現可預測性。
在相互結合下，這些功能使定制平臺能夠在生產(chǎn)過(guò)程之前診斷并糾正有關(guān)問(wèn)題。
全芯片集成與混合信號芯片完工
在某些方面，所有設計部件必須具備最終芯片的各個(gè)方面。定制平臺必須提供引入大型設計元件、平面布置與頂層布線(xiàn)、以及在整個(gè)芯片上執行最終分析的功能。平臺必須支持集成設計的大型物理部分，為實(shí)現快速、硅精度的芯片分析提供基礎。
芯片集成功能使設計隊伍能夠從各個(gè)設計域引入連續、完整的設計部分。這種能力還支持設計相關(guān)材料，從而實(shí)現平滑的集成。
通用數據中心
設計數據在多個(gè)設計域的無(wú)縫集成是ACD方法的核心。因此，需要一個(gè)通用數據中心，以實(shí)現數據跨多個(gè)設計任務(wù)和完全不同設計過(guò)程的移動(dòng)。例如，數字標準單元的設計并未直接包含在A(yíng)CD方法中，但是，來(lái)自數字標準單元設計的數據必須輕松進(jìn)入平臺，以實(shí)現快速的設計過(guò)程并保持硅精度的信息。執行時(shí)間與容量也是數據中心的關(guān)鍵部分，因為通常需要在設計過(guò)程中的不同時(shí)間操作大型數據庫。
通用數據中心必須擴展到前端和后端工具基礎設施，尤其是在IR降、EM、襯底噪聲分析以及RC提取等任務(wù)中，它們都要求前端與后端數據的詳細合并。通用數據中心還要滿(mǎn)足其他設計項目之間以及IP供應商之間的IP共享需求。
利用所有單個(gè)工具統一的數據庫，這些工具可以?xún)炔抗蚕碓O計數據，同時(shí)獲得現代數據庫結構的速度優(yōu)勢。

結語(yǔ)
滿(mǎn)足當今設計不斷增長(cháng)的新方法，催生了對新設計平臺的需求。在設計工程師面對效益性、復雜性與物理效應的挑戰時(shí)，定制平臺為開(kāi)發(fā)設計提供了快速、硅精度的基礎?！?/P>