IBM在ASIC设计中的电源网络噪声分析
发布时间：2010-10-11 11:54
发布者：eetech
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1 前言 IBM在芯片设计方面有着独特并且有效的方式，在其开展的ASIC业务中，不仅提供客户高可靠性的定制化设计方案，而且拥有科学的分析能力，即便现代的芯片开发周期不断缩减，我们还是保持着严谨的作风，提供给每一个客户高质量的产品。 本文将侧重于高速信号传输领域，介绍IBM对于PowerNoise分析的一些基本思路。众所周知，目前的窜行通讯接口一般都工作在10GBps上下，对于发送/接受，时钟频率控制单元有着极其严苛的电气要求,随之而来的就是更近一步的对芯片资源规划(FloorPlan)的要求。这些由电气要求转化而来的物理约束，因各种器件而不同，往往在空间资源比较紧张的项目中互相抵触，令普通开发者进退两难。对客户不利的是，往往会有很多供应商仓促上阵，最终导致产品瑕疵，或者反复设计，验证，延误了宝贵的上市时机。 IBM的确在这方面也遇到了同样的问题，一边是紧迫的交期，一边是如何做出准确的Noise分析，特别是如何全面地进行仿真。对于后者，基于IBM强大的计算机集群，我们很早就可以让每个ASIC项目对所有Net的供电系统，进行逐个验证，而不是抽样分析。但合理的模型，合理的分析方法，的确是我们过去一段时间一直在研究的课题。以下的内容就会对这一部分，进行深入的探讨。 2 电源网络的模型及噪声的基本概念 在ASIC的设计过程中，电源网络的噪声分析是其中非常重要的环节，本节将重点介绍电源网络的模型及电源网络噪声的基本概念。 2.1 IBM芯片的电源网格 IBM的供电网格，如图1,2所示，大致上均保持着正交的排列方式，对于大部分应用模块不需定制。我们可以按不同的芯片尺寸，比较方便的得到它的通用模型。  图13D模型和powerbus格点模型  图2设计图 2.2 IBM芯片的封装模型 封装模型的主要特点集中在层叠结构和Substrate设计上，如图3，4。因为我们对每种Substrate的设计做了严格的限定，如布线风格，TraceWidth(W),CopperThickness(T),层间厚度（H），Power/Signal层别，所以无论芯片功能差异如何，我们都可以得到一个可靠的经验值来反映封装特性，比如阻抗的经验值，我们设定为50欧姆。  图3  图4 2.3 电源网络的总体模型 图5是从板级电源一直到芯片级的完整的电源网络示意图。在这个电路模型中，板级的供电电源被看作是理想电压源，板级走线，封装及芯片上的电源网格均由电阻，电容，电感组成的电路来模拟，芯片上的IP及IO由电流源模拟。 其中板级部分产生低频噪声，封装部分产生中频噪声，芯片级则产生高频噪声。  图5电源网络电路模型 2.4 电源网络噪声的概念 当芯片上的信号开始跳变时，如由0到1，电源网络的阶跃响应会如图6所示。最低电压值由芯片上的静态电容值与翻转电容值的比例决定，跳变后的谐振则为典型的LC谐振，静态电压降则是平均功率的体现，由网络中的寄生电阻导致。稳态的交流响应与工作频率相关，其波动的电压值随着工作频率的增加而减小。  图6电源网络阶跃响应 3 IBM芯片的电源网络噪声分析 3.1 噪声分析的流程 图7为电源瞬态噪声分析的基本流程，列述了各主要阶段的工作重点。  图7噪声分析流程 对于ASIC,抑制噪声有两种主要的方法：合理布局，以及增加去耦电容。 1.对于合理布局，有很多需要遵守的规则，除了IBM应用文档中的基本方法，也要注意不同电路的噪声要求。一般需要考虑到的因素有：噪声源，受害源和翻转率。如图8，对于SRAM阵列，虽然供电网络是相对均匀的结构，但由于等效电阻,背景电容不同，同一个IP在整个芯片摆放的位置不同也会产生不同的噪声。 2.对于增加去耦电容，工具可以自动根据电路的种类，负载，工作频率，确定的去耦电容数目以及摆放位置，也可以手动，根据噪声目标，以一定算法用递归的方式确定去耦电容数量。以SRAM群为例，将会根据其工作频率，翻转率，以及端口所在的位置分配去耦电容。 这种方法的缺点是过多的去藕电容会导致芯片内布线困难。  图8布局示意图 供电网路噪声分析不仅包含工具分析的过程，也包含着前期的预防。在预防过程中，除了工程师自身的经验，IBM也应用了审查表格这一形式，集成了诸多经验和注意事项，进一步确保设计的顺利进行，如PINT和NTFR。 1.PINT会议：项目的早期，芯片的布局的过程中，会面临噪声抑制和性能折衷的问题。PINT会议就以审查表格的形式，对基本的ASIC内容，噪声影响，应用方式，布局进行讨论。审查过程中，将会强调某些可能会影响布局的特定的区域或者敏感IP，提供如何摆放去耦电容的建议，以及定位一些需要引起注意的噪声受害者和攻击者。这些具体设计前的评估，使得芯片设计工程师在早期布局的时候就能提高对噪声问题的关注，对于即将产生的设计风险提前采取措施。 2.NTFR会议：项目的中期，基本布局确定并进行了初步噪声分析后，NTFR会议将会关注更为细节的部分，特别对于高速接口电路的摆放位置，时序分析，噪声分析，将会有更加严格的要求。 布局,摆放去耦电容,噪声分析，再调整布局和去耦电容数是一个递归过程，需要根据噪声分析的结果不断调整。在IBM的各个设计阶段，由于网表的完备性不同，也都会针对每次布局或者供电网络的变化进行噪声分析。以下是我们的一些分析方法。 1.通用封装模型（GPM/WBGPM）:局部的IO分析和模拟IP电路的variation确认。能够分析局部IO噪声，进行信号完整性以及时序分析，确认模拟电路供电网络噪声是否达到要求。这个仿真比较灵活，可以在设计的各个阶段进行，比如，在布局初期，可以结合客户板级要求，确定局部IO以及IO周围的敏感电路的分布，在后期，与客户的板级设计相连，完成全系统的验证。 2.Alsim_TA:是一个用于芯片的全局分析工具，引入了3维的概念，可以同时基于时间轴和空间进行噪声分析。通过它，我们可以观测到芯片的整体噪声分布，特别是可以准确捕捉到一些强噪声点，观察电源的谐振,确保元器件和去耦电容的合理放置。 运行Alsim_TA，取得准确结果的前提是Floorplan和PowerRouting必须完成。 3.频域分析(可选):作为IBMASIC噪声分析的一种方法，有助于分析并消除来自于邻近内核的噪声。 4.其它：除了上述3种方法之外，IBM还可以提供多种关于噪声分析的其它方案。例如，生成针对于系统级仿真的芯片电源模型（见图5），基于GPM的信号完整性分析，电源网络谐振分析和高频发射信号分析等。 3.2电源暂态噪声分析的主要工具-Alsim_TA ALSIM_TA主要工作在两种模式下。 1．Floorplan 可以在设计的早期来运行，为设计的布局提供指导，有效地减少Iteration. 2．FinalAnalysis 当设计已基本成型时，基于规划好的电源网络，封装的寄生参数，准确的电流波形和频率信息，这时ALSIM_TA就可以进行更为精确的噪声分析。 ALSIM_TA的分析流程可以简单归纳为以下几个步骤： 1.建立电流模型； 2.建立电源网络分布模型并简化； 3.将各模型和封装参数结合，进行暂态仿真分析。 仿真完成的输出结果可以反映动态的电源噪声，如图9所示。  图9ALSIM_TA仿真结果示意图 3.3 基于Hspice的电源噪声分析工具—GPM GPM是基于Hspice的电源噪声分析工具，相对于ALSIM_TA侧重于对整个芯片进行全局仿真，GPM更着重于分析芯片的局部噪声情况，如图10所示。   图10GPM示意图 GPM的模型可以包含封装的寄生参数，IO，去耦电容，存储器阵列还有部分逻辑。 GPM的分析流程可以简单总结为以下几个步骤： 1使用AutoGPM在芯片上自动找到IO最密集的区域，然后生成Hspice的网表。 2在网表中填入仿真所需要的参数。 3分析仿真结果，可调整电容数量来满足动态压降的要求。 4 噪声分析的实例 下面是噪声分析的实例。该项目芯片封装形式为FCBGA,最大功耗约为9.2W。主要包含的模块:串并并串转换电路（最高速率11Gps），静态存储器（最高频率155MHz）,高精度频率发生器,以及各种高速IO接口电路。 图11是Alsim_TA的分析结果，针对于全局，分为VoltageCompression和Variation两部分。合理的布局和去耦电容的放置确保了每个IP的噪声容限都在相应的范围内。  图11Alsim_TA电压compression和variation图 图12为ALSIM_TA提供的具体波形图，每种IP都分别有电流和电压两种波形图。  图12ALSIM_TA中各个模块的电流电压波形图 GPM分析主要针对于局部，如图13，其仿真范围局限于GPM窗口内的多个IO，标准是尽可能对IO最密集的区域进行分析，考虑其对周边IP的最大影响，得到整个项目的WorstCase。  图13IOGPM窗口 5 总结 目前，所有IBM的ASIC客户都已经体验到了这种分析所带来的好处，确定器件规划的周期大大缩短，一些大胆的设计也可以放心尝试，尽可能的将PCB和芯片布局整合起来，实实在在的做出按自己意愿定制的芯片。 IBM作为一个国际化的公司，一直致力于帮助中国企业的发展。在AISC领域，我们已于多家国内知名企业展开了有效而长期的合作。同样，希望我们的论文能给中国的ASIC发展做出微薄的贡献。 |
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