手機數(shù)字基帶處理芯片中的靜態(tài)時序分析

1.引言

　　隨著深亞微米技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路的規(guī)模已經(jīng)發(fā)展到上百萬門甚至上千萬門。工藝也從幾十μm提高到65nm甚至45nm。這樣的電路規(guī)模做驗證的時間在整個芯片的開發(fā)周期所占的比例會越來越重。通常，在做驗證的時候，我們都會采用動態(tài)驗證的方法?，F(xiàn)在，用靜態(tài)驗證方法（STA Static Timing Analysis），不僅能夠完成驗證的工作，而且還能大大節(jié)省驗證所需要的時間。靜態(tài)時序分析簡稱它提供了一種針對大規(guī)模門級電路進行時序驗證的有效方法。靜態(tài)時序分析是相對于動態(tài)時序分析而言的。動態(tài)時序分析時不可能產(chǎn)生完備的測試向量，覆蓋門級網(wǎng)表中的每一條路徑。因此在動態(tài)時序分析中，無法暴露一些路徑上可能存在的時序問題；而靜態(tài)時序分析，可以方便地顯示出全部路徑的時序關(guān)系，因此逐步成為集成電路設(shè)計簽字認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。

2.靜態(tài)時序分析工作原理

　　本文以Synopsys公司的Prime Time SI作為時序分析的工具，介紹靜態(tài)時序分析的工作原理。Prime Time把整個設(shè)計電路打散成從主要的輸入端口到電路觸發(fā)器、從觸發(fā)器到觸發(fā)器、從觸發(fā)器到主要輸出端口、從主要的輸出端口到主要的輸出端口、四種類型的時序路徑，分析不同路徑的時序信息，得到建立時間（setup time）和保持時間（hold time）的計算結(jié)果。而Prime time SI又在Prime time的基礎(chǔ)上加入串?dāng)_分析（Crosstalk analysis）。串?dāng)_是由兩個或者多個物理相鄰連線之間的容性交叉耦合（capacitive cross-coupling）產(chǎn)生的相互作用。隨著工藝越來越進步，在130nm或者90nm的工藝下，串?dāng)_的影響已經(jīng)變得與單元延遲和線延遲一樣重要。

2.1 時序路徑的分析

　　整個電路的靜態(tài)時序分析都是由時序路徑分析組成。時序路徑分析就是檢查從發(fā)射沿（lunching edge）到捕獲沿（capturing edge）的時間是否滿足設(shè)計的需要。它主要可以分為兩類：

建立時間路徑

　　這種路徑用于檢查信號在到達捕獲沿之前的一段穩(wěn)定時間（setup time），也就是確定從發(fā)射沿到捕獲沿的過程是否足夠快。建立路徑包括普通的數(shù)據(jù)到時鐘的建立路徑、數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)以及時鐘門的路徑。如果最晚的一個發(fā)射沿到最早的一個捕獲沿之間的時間滿足時序要求（沒有timing violation），才能確保這條建立路徑都滿足條件。

保持時間路徑

　　這種路徑用于檢查信號在到達捕獲沿之后的一段穩(wěn)定時間的（hold time），也就是確定從發(fā)射沿到捕獲沿的時間是否太短。包括普通的數(shù)據(jù)到時鐘的建立路徑、數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)以及時鐘門的路徑、異步信號同步化的檢查。為了正確的分析，我們檢查保持路徑時必須檢查最早的一個發(fā)射沿到最晚的一個捕獲沿之間的時間滿足時序要求。

　　如圖1中發(fā)射部分由所有的時鐘端口到觸發(fā)器FF2的D端口之間的單元（包括U1、U2、FF1、U4）和線組成；捕獲部分由所有的時鐘端口到觸發(fā)器FF2的時鐘端口之間的單元（U1、U3、FF2）和線組成。其中U1既屬于建立路徑又屬于保持路徑。那么，建立路徑就應(yīng)該結(jié)合到FF2的D端口最慢的路徑和到其時鐘端口最快的路徑來看。保持路徑則相反，我們應(yīng)該找到達FF2D端口最快的路徑和到其時鐘端口最慢的路徑。對于Setup Time驗證來說:

　　Slack=Required Time C Arrival Time

　　對于Hold Time驗證來說:

　　Slack= Arrival Time CRequired Time

　　Slack為正值，表示滿足時序要求

圖1 建立/保持路徑示意圖

PT工作流程

　　圖2為PT的工作流程，我們可以看出靜態(tài)時序分析是一個反復(fù)進行的過程。直到結(jié)果滿足要求為止。

圖2 PT工作流程

　　芯片在工作時所處的環(huán)境是不同的，然而環(huán)境的不同導(dǎo)致芯片內(nèi)部的單元和線的延遲不同。為了使芯片在大多數(shù)環(huán)境下都能正常工作，PT中提供了三種分析模式：single、bc_wc、on_chip_variation。我們平時常用的是bc_wc模式，它把環(huán)境用工藝制程（process）、溫度（temperature）、電壓（voltage）分為以下3種情況：

　　1、best case：工藝制程：1；理想溫度零下40攝氏度；電壓1.32V（此芯片額定電壓為1.2V）

　　2、typical case：工藝制程：1；室溫環(huán)境25攝氏度；電壓1.2V

　　3、worst case： 工藝制程：1；125攝氏度；電壓1.08Ｖ

　　為了測試芯片在投片生產(chǎn)和封裝整個制造過程是否出現(xiàn)物理等方面的缺陷導(dǎo)致功能不正確。現(xiàn)在的超大規(guī)模集成電路的設(shè)計中，都加入了可測性設(shè)計（DFT：Design for Test）電路。當(dāng)芯片工作于測試模式時，時鐘樹的結(jié)構(gòu)與功能模式完全不同。我們必須在測試模式下也要分以上3種情況做靜態(tài)時序分析。

3.靜態(tài)時序分析與門級仿真的關(guān)系

　　靜態(tài)時序分析也有自己的弱點，它無法驗證電路功能的正確性。值得注意的是，靜態(tài)時序分析只能有效地驗證同步時序的正確性，大部分設(shè)計中可能包含地異步電路的時序驗證，則必須通過門級仿真來保證其時序的正確性。