Проектирование ИС на основе учета разброса параметров


PDF версия

В статье рассматриваются причины и последствия разброса параметров элементов современных ИС, выполненных по технологическим нормам 90 нм и менее. Показано, что традиционные методики и средства разработки не позволяют в должной мере учесть это влияние, и определены направления развития этих систем, что позволит снизить риск неработоспособности проектируемых ИС и время их разработки.

При переходе к технологиям нанометрового уровня основной причиной несоответствия ИС заданным требованиям и задержек их выпуска становится разброс параметров. Однако зачастую возникают трудности в определении того, что же именно скрывается за самим термином «разброс параметров». На самом деле под разбросом следует понимать непредсказуемость, неопределенность, невозможность точного измерения и изменчивость какого-либо параметра. С точки зрения разработчика ИС разброс может быть связан с избранными конструкторскими решениями, условиями эксплуатации, технологией производства и свойствами межсоединений. В данной статье исследуются различные виды разброса, проблемы, возникающие при моделировании ИС и обсуждаются требования к реализации системы, позволяющей с достаточной степенью достоверности проанализировать и оптимизировать конструкцию ИС для достижения наилучших результатов при наличии разброса.
Для лучшего понимания сути явления разброса рассмотрим в качестве примера спецификацию на ИС для мобильной телефонии. Дизайн такой ИС требует ее работы в 3 различных режимах при 2 крайних случаях внешних условий и 5 вариантах максимального разброса параметров элементов ИС (см. рис. 1).

 

Рис. 1. Пример спецификаций на ИС

 

Причем для обеспечения конкурентоспособности разработка должна быть выполнена не более чем за 6 месяцев.
Основной проблемой для разработчика в этих условиях становится создание одной-единственной топологии ИС, соответствующей всем этим во многом противоречивым требованиям. При этом количество сценариев для моделирования, соответствующих разным сочетаниям граничных условий и режимов работы, равно 20.
Современные технологии проектирования ИС рассчитаны на поддержку максимум двух сценариев моделирования. В результате реализация ИС по спецификациям рис. 1 становится крайне трудоемким и сложным процессом. Чаще всего команда разработчиков выбирает один «наихудший сценарий», разрабатывает топологию для него и затем включается в долгий и дорогостоящий процесс анализа и ручной подгонки топологии для остальных сценариев. Данный процесс по своей сути имеет итеративный характер.
При реализации такого метода разработки следует иметь в виду следующее:
1. Во-первых, никто не гарантирует, что меры, предпринятые для обеспечения необходимых временных характеристик для одного сценария, не приведут к выходу этих характеристик за заданные пределы при другом сценарии.
2. Во-вторых, каждая итерация крайне трудоемка. Например, для рассматриваемой ИС мобильного телефона каждая итерация требует 5 запусков программы выделения в топологии всех RC-элементов и 20 запусков программы временного анализа.
Фактически это многократно увеличивает трудозатраты разработчиков, причем на последнем этапе разработки, когда дизайн уже почти закончен. В то же время такой подход существенно повышает вероятность непрохождения изготовленным кристаллом испытаний и задержки разработки в целом.

 

Разброс — причины и последствия

Разбросы параметров ИС можно разделить на 3 категории по принципу причины возникновения: из-за изменения условий эксплуатации (температуры, напряжения питания и т.д.), за счет вариаций параметров техпроцесса, приводящих к изменению параметров как собственно радиоэлементов, так и межсоединений, и, наконец, снижения надежности за счет процессов старения ИС типа деградации параметров из-за температурной диффузии и утечки из-за высокой температуры. На рисунке 2 показаны различные причины разброса и их последствия. С точки зрения процесса разработки эффекты разброса также можно разделить на три категории.

 

Рис. 2. Классификация причин разброса

К категории эксплуатационных относятся разбросы параметров, связанные с различными режимами работы ИС (для нашего примера это режимы сна, дежурный и активный). Каждому режиму соответствуют свои наборы требований, которые закладываются на этапе подготовки ТЗ и должны быть тщательно проанализированы, чтобы минимизировать число итераций в процессе конструирования. Архаичные методы вроде объединения всех требований для разных режимов работы становятся по мере роста сложности проектов неприемлемыми и крайне трудоемкими в использовании.
Глобальные разбросы есть изменения параметров, проявляющиеся в номинально идентичных кристаллах вне зависимости от того, изготовлены ли эти кристаллы на одной кремниевой пластине или на разных, в том числе и взятых из различных партий или даже обработанных на разных заводах, причем со схемотехнической точки зрения такие изменения примерно одинаковы для всех элементов в одном кристалле. В свою очередь такие глобальные разбросы можно разделить на две группы по критерию причины возникновения:
– Внешние глобальные разбросы связаны с условиями эксплуатации, например, температурой окружающей среды или напряжением питания. Обычно наихудший случай моделируют с использованием минимального напряжения питания, высокой температуры и медленной обработки. Однако в нанометровых ИС имеет место инверсия температурных свойств, так что здесь наихудшему случаю соответствует самая низкая температура. Влияние эффекта температурной инверсии сильно зависит от типа логических ячеек в исследуемой цепочке задержек, причем это влияние усиливается при снижении напряжения питания.
– Производственные глобальные разбросы связаны с изменением размеров и свойств материалов, из которых формируются схемные элементы и соединения. Разброс таких параметров, как эффективная длина канала или толщина пленок приводит к различию в разных кристаллах таких значений, как напряжение отсечки и токи утечки. Изменение же ширины нижних слоев металлизации за счет литографических и дифракционных эффектов приводит к разбросу сопротивления и паразитной емкости соединительных линий. К аналогичным последствиям приводит и изменение толщины слоев металла и диэлектрика.
Локальный разброс имеет место в пределах одного кристалла. Он может быть вызван множеством причин, связанных с физическими особенностями производственного процесса. Как и глобальный, локальный разброс можно разделить на два типа:
– Внешний локальный разброс связан с работой кристалла и включает эффекты, связанные с изменением напряжения питания отдельных узлов за счет падения напряжения на соединительных линиях, задержки и затягивание фронтов за счет перекрестных наводок, изменение входной емкости выводов за счет влияния величины и скорости изменения входных сигналов, а также ухудшение скоростных характеристик из-за температурной нестабильности отрицательных фронтов (NBTI).
– Производственный локальный разброс включает разброс геометрических параметров схемных элементов и межсоединений и из-за разброса параметров исходных материалов. Например, разброс ширины и расстояния между соединительными проводниками из-за фотолитографических и краевых эффектов оказывает прямое воздействие на паразитные связи и, следовательно, на производительность схемы и степень деградации сигнала. В действительности в пределах одного кристалла часто наблюдается значительный разброс толщины медных соединений и существенное изменение толщины диэлектрического слоя, полученного в ходе химико-механического выравнивания.

 

Моделирование разброса

При традиционном подходе к разработке ИС влияние разброса оценивается с помощью двухточечного метода, в котором проводится анализ задержки по запаздыванию (установлению) сигнала при воздействии слабого сигнала, минимальном напряжении питания и высокой температуре и анализ по опережению (удержанию) сигнала при большом входном сигнале, максимальном напряжении питания и наинизшей рабочей температуре. При этом везде используются стандартные модели взаимосвязей и небольшое число граничных условий для учета неопределенностей. При этом наихудший случай с точки зрения целостности сигнала может соответствовать комбинации обоих рассматриваемых вариантов — например, проблемы шумов могут проявляться только при сильном сигнале и высокой температуре.
При моделировании разброса необходимо четко различать разброс и не­определенность значений. Значительная составляющая локального разброса определяется конструкцией и топологией и таким образом является вычислимой, детерминированной. Точно так же многие параметры, влияющие на глобальный разброс (например, температура окружающей среды) могут быть заданы для определения параметров в детерминированной модели. Рабочий разброс детерминистичен полностью. В принципе такой разброс может быть рассчитан и полностью скомпенсирован за счет подстройки конструкции ИС. К сожалению, огромная сложность современных ИС и их моделей с точки зрения требуемой для анализа вычислительной мощности зачастую делает невозможным точный расчет параметров, превращая таким образом рассчитываемый разброс в неопределенность и точные расчеты в статистические. При этом рассмотрение вычислимого разброса как случайного и принципиально неправильно, и рискованно, так как не гарантирует работоспособности спроектированного кристалла.
Для минимизации потерь крайне важно иметь возможность промоделировать вычислимый разброс с помощью программ анализа. При этом необходимо рассмотреть и случаи максимального сопротивления (т.е., минимальной ширины межсоединений), и максимальной емкости (максимальной ширины), и все промежуточные ситуации. Кроме того, аналитическая программа должна иметь достаточную степень гибкости для учета таких явлений, как температурная инверсия, NTBI и разброс емкости контактов.
Эксплуатационный разброс учитывается последовательным анализом ИС при различных режимах работы. При этом аналитическое программное обеспечение должно учитывать специфические для каждого режима ограничения и вести анализ для каждого из режимов в отдельности.
Глобальный разброс учитывается за счет последовательного перебора множества граничных случаев. Каждый такой случай соответствует своему набору внешних условий и своему набору библиотечных элементов, отображающих модели схемных элементов и межсоединений. При этом граничные условия могут выбираться для расчета соответствующих параметров схемы — времени установления, задержки, шумов и т.д.
Локальный разброс анализируется в контексте глобального за счет вариаций граничных условий. Некоторые виды локального разброса (например, падение напряжения на проводниках или паразитные связи) могут быть рассчитаны напрямую, в то время как такие эффекты как NBTI анализируются с помощью использования двух библиотек моделей для каждого анализируемого варианта граничных условий. Производственный разброс параметров межсоединений можно учесть с помощью некоторого отклонения величин граничных условий. Разброс напряжения отсечки из-за разброса параметров техпроцесса учитывается либо использованием двух библиотек моделей для минимального и максимального значений напряжения отсечки, либо введением случайной поправки во время задержки.
Статистический анализ временных характеристик, о котором в последнее время многие говорят как о панацее, в данном случае никак не подходит, так как он отражает только часть проблем, связанных с разбросом. Он полезен только в некоторых случаях, например, когда мы пытаемся понять, что произойдет, если часть кристалла будет работать на такой-то частоте. Однако величина опережения (минимальной задержки) остается зависящей от процедуры анализа и оптимизации для конкретных граничных условий, что часто приводит к неработоспособности при других условиях. Поэтому необходимость анализа и оптимизации конструкции для всех возможных комбинаций граничных условий никуда не исчезает. Кроме того, доступность верифицированных моделей элементов и межсоединений в настоящее время сильно ограничена. И, наконец, немаловажным фактором остается необходимость покупки дополнительных инструментов анализа и статистических моделей.

 

Анализируя и оптимизируя разброс

Для учета всех аспектов проблемы разброса параметров создатели системы разработки должны решить несколько задач. Среди них можно выделить:
– параллельный анализ нескольких сценариев;
– параллельная N-критериальная оптимизация;
– синтез многорежимной системы тактирования.

 

Параллельный анализ нескольких сценариев

Так как целью конструирования, ориентированного на разброс, является создание единственной конструкции, удовлетворяющей требованиям нескольких отличающихся сценариев работы, одним из фундаментальных требований к системе конструирования является наличие возможности произвести одновременный анализ для всех возможных сценариев. Из этого вытекает потребность создания аналитической инфраструктуры нового поколения, способной одновременно представлять все возможные сценарии — в отличие от существующих систем, в которых обсчет производится по одному сценарию за раз. В результате сейчас разработчики вынуждены 64 раза запускать программу анализа для проверки конструкции при каждом из 64 имеющихся сценариев, искать среди результатов проблемы, устранять их — и опять повторять расчет 64 раза.
Аналитическая программа, позволяющая в одном запуске просчитать все 64 сценария и помогающая пользователю быстро выявить имеющуюся проблему, существенно увеличит производительность труда разработчика и значительно снизит вероятность ошибок из-за человеческого фактора.
Для организации такого параллельного анализа инфраструктура системы должна иметь возможность одновременно хранить в памяти весь набор сценариев. Подход с позиции грубой силы потребует для 64 сценариев увеличения объема занимаемой памяти в 64 раза, что крайне неэффективно как с точки зрения цены, так и с точки зрения скорости обработки.
Очевидно, масштабирование дизайна также требует возможности параллельного анализа. Новая модель данных должна эффективно использовать дублирующиеся данные в анализируемых сценариях и максимально компактно хранить все 64 временные диаграммы. Если все это будет реализовано, то разработчики всегда будут иметь доступ ко всем критическим точкам каждого из 64 рассматриваемых сценариев на любой стадии проектирования. Все это устраняет непредсказуемый и дорогой итерационный процесс оптимизации, который практически всегда необходим при использовании традиционной методики проектирования.
Для обеспечения обратной совместимости новая архитектура должна уметь читать множество библиотек моделей компонентов (для каждого сценария в отдельности), множество библиотек моделей межсоединений (для нескольких вариаций техпроцессов) и множество файлов ограничений (для каждого режима работы). Все эти данные должны автоматически преобразовываться к новой модели данных без затрат дорогостоящего труда разработчиков, чьим занятием должно быть конструирование схемы, а не рутинный ввод данных.

 

Параллельная оптимизация: убиение всех зайцев одним выстрелом

При наличии возможности одновременного анализа всех возможных сценариев следующим естественным шагом становится реализация оптимального дизайна, удовлетворяющего всем заложенным требованиям. Традиционно логическая оптимизация направлена на решение двух проблем. Одна из них состоит в запаздывании сигнала, которое должно соответствовать требуемому времени установления, а вторая — в опережении переключения входного сигнала реакции схемы (т.н. время удержания). Однако по мере роста сложности конструкции требования к установлению и удержанию сигнала должны соответствовать множеству сценариев работы проектируемого устройства. В результате существующие системы оптимизации по критерию двух сценариев абсолютно перестают соответствовать решаемой задаче, так как сведение всех 64 возможных сценариев работы всего к двум исследуемым вносит большое число ошибок и неопределенностей.
Стратегия оптимизации нового поколения должна осуществлять N-мерную оптимизацию без каких-либо упрощений или ограничений. При этом требуется параллельный анализ множества времен установления и удержания. Наличие возможности такой N-мерной оптимизации существенно упрощает решение таких задач, как динамическое управление рабочей частотой и напряжением, оптимизацию утечки и т.п.
Рассмотрим, например, процессорное ядро, которое должно работать на частоте 350 МГц при напряжении питания 1,2 В и на частоте 275 МГц при снижении напряжения питания до 1 В, что требует соответствующих времен установления и удержания. При использовании 2-точечной оптимизации разработчик оптимизирует конструкцию для одного напряжения питания, а во втором режиме ему остается только надеяться, что все будет в порядке. Очевидно, что это будет так далеко не во всех случаях, так как временные характеристики схемы очень сильно зависят от напряжения питания. В то же время система, способная производить 4-критериальную оптимизацию (2 временных
параметра × 2 сценария), гарантированно позволит получить удовлетворительный результат в обоих режимах.

 

Синтез многорежимной системы тактирования

Одной из наиболее сложных проблем является синтез системы тактирования. В современных ИС, особенно предназначенных для мобильных устройств, трассировка сигналов тактирования становится крайне сложной, так как необходимо обеспечивать множество тактовых сигналов для различных узлов, причем частоты их меняются для каждого из рабочих режимов. Обеспечение надежности такой системы является нетривиальной задачей. Многие команды разработчиков решают данную проблему за счет использования высокотехнологичных приемов вроде применения нескольких независимых систем тактирования, что позволяет уменьшить влияние разбросов в цепи тактирования, пусть и за счет существенного усложнения схемы. При наличии системы N-критериальной оптимизации она может помочь в решении этой проблемы. Такая программа оптимизации может рассчитывать времена опережения и запаздывания для всех наборов рабочих условий при всех значениях как глобальных, так и локальных разбросов. Это, в свою очередь, позволяет рассчитать и довести до нужного уровня значения фронтов и задержек тактовых сигналов при любых условиях и, следовательно, создать надежную систему тактирования.

 

Заключение

Команды разработчиков ИС постоянно сталкиваются с пагубным влиянием разброса параметров — особенно при конструировании систем нанометровых масштабов. При этом разбросы вызываются как изменчивыми условиями эксплуатации, так и нестабильностью техпроцессов или эффектами старения. Все это проявляется в форме глобальных, локальных и эксплуатационных разбросов и приводит к неработоспособнос­ти кристаллов, снижению надежности и задержкам графика разработки. Для решения этих проблем представляется необходимым принятие новой парадигмы проектирования, суть которой заключается в использовании одновременного обсчета множества рабочих сценариев и многокритериальной оптимизации. Именно такие системы проектирования будут доминировать при разработке ИС для технологических норм менее 90 нм.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *