如何通過電壓調(diào)整模塊提高芯片設(shè)計(jì)可靠性

芯片工作過程中，由于負(fù)載發(fā)生變化，導(dǎo)致芯片電源網(wǎng)絡(luò)的供電電壓和電流發(fā)生變化，可能會(huì)出現(xiàn)芯片供電電壓低于TImingsignoff corner的最小電壓的情況，影響芯片的時(shí)序。

芯片工作過程中，由于負(fù)載發(fā)生變化，導(dǎo)致芯片電源網(wǎng)絡(luò)的供電電壓和電流發(fā)生變化，可能會(huì)出現(xiàn)芯片供電電壓低于TImingsignoff corner的最小電壓的情況，影響芯片的時(shí)序。

芯片采用電壓調(diào)整模塊(VoltageRegulator Module, VRM)的供電方式，其結(jié)構(gòu)有兩種：on-dieVRM，off-dieVRM（見圖1）。

圖1. On-die/off-die供電結(jié)構(gòu)示意圖

對于負(fù)載電流大、輸入電壓低、需要快速喚醒的芯片而言，在芯片供電設(shè)計(jì)方面，大多數(shù)設(shè)計(jì)會(huì)選擇on-dieVRM的供電方式。但相對于采用off-dieVRM供電的芯片，on-dieVRM供電的芯片電源電壓更容易受到負(fù)載變化的影響。在一個(gè)采用on-dieVRM供電的芯片中，當(dāng)芯片進(jìn)行工作模式切換時(shí)，在最初的幾個(gè)時(shí)鐘周期，由于芯片工作電流急劇增加，芯片內(nèi)部的Decap等電容器件容值小，板級大電容放電的傳輸鏈路長，不能釋放足夠的電荷來維持當(dāng)前的電壓，VRM的輸出電壓被拉低到SScorner電壓以下。為保證在極限低壓情況下芯片設(shè)計(jì)的可靠性，需要對TImingsignoff沒有變電壓覆蓋的場景進(jìn)行評估和分析。

變電壓掃描分析

變電壓分析的方式主要有兩種：第一種方式是增加STA分析的corner以覆蓋更多電壓。這種方式時(shí)序路徑覆蓋全面，但需要對未覆蓋的電壓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新K庫，耗費(fèi)大量的時(shí)間和硬件資源，實(shí)現(xiàn)起來成本較高；第二種方式是通過SPICE對芯片中的時(shí)序關(guān)鍵路徑仿真分析，修改仿真電壓可以快速得到時(shí)序關(guān)鍵路徑在未覆蓋場景的時(shí)序信息，但時(shí)序路徑覆蓋有限。在時(shí)間和機(jī)器資源有限的情況下，芯片設(shè)計(jì)人員大多會(huì)傾向于選擇第二種方式先快速看到芯片可能存在的可靠性問題。傳統(tǒng)使用SPICE仿真分析關(guān)鍵路徑的時(shí)序的流程需要設(shè)計(jì)者完成時(shí)序路徑SPICE網(wǎng)表生成、為SPICE網(wǎng)表添加激勵(lì)、量測時(shí)序信號、對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析等多個(gè)步驟。這個(gè)流程復(fù)雜，需處理的數(shù)據(jù)眾多，需要設(shè)計(jì)者同時(shí)熟悉SPICE電路仿真、數(shù)字設(shè)計(jì)靜態(tài)時(shí)序分析、仿真量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析三方面的知識，對設(shè)計(jì)者能力要求較高。為簡化關(guān)鍵路徑SPICE分析流程，降低技術(shù)門檻，華大九天開發(fā)了高精度時(shí)序仿真分析工具ICExplorer-XTIme，為設(shè)計(jì)者提供了一套全自動(dòng)時(shí)序關(guān)鍵路徑仿真分析方案。

圖2. ICExplorer-XTIme特色功能

ICExplorer-XTime的流程是讀取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝模型、標(biāo)準(zhǔn)單元庫電路網(wǎng)表、寄生參數(shù)、要仿真的時(shí)序關(guān)鍵路徑時(shí)序報(bào)告，自動(dòng)產(chǎn)生時(shí)序路徑的仿真網(wǎng)表及激勵(lì)，調(diào)取EmpyreanALPS仿真引擎進(jìn)行仿真，收集仿真結(jié)果并以圖表的形式呈現(xiàn)。流程自動(dòng)化高、易于上手。由于內(nèi)置的EmpyreanALPS仿真器相比同類型仿真器具有更快的仿真求解速度，在仿真時(shí)間上也有明顯的速度優(yōu)勢。 在下面的on-dieVRM供電芯片電壓掃描應(yīng)用中，ICExplorer-XTime調(diào)用EmpyreanALPS對1000條時(shí)序路徑在12個(gè)電壓節(jié)點(diǎn)下進(jìn)行時(shí)序仿真，在TrueSPICE的精度下，使用16線程加速，僅耗時(shí)6小時(shí)。通過對關(guān)鍵路徑進(jìn)行變電壓掃描，可以得到關(guān)鍵路徑在各個(gè)電壓點(diǎn)下的時(shí)序表現(xiàn)，如每個(gè)clockgroup的Worstsetup slack（見圖3）以及Maxfrequency結(jié)果統(tǒng)計(jì)（見圖4）以及它們隨電壓的變化趨勢等。

圖3. Worst setup slackfrom 0.86v  to 1.08v

以圖3為例，隨著供電電壓的降低，高頻時(shí)鐘域clock_group_0和clock_group_1相較低頻時(shí)鐘域clock_group_2和clock_group_3，setupslack惡化的速度更快。在SScorner基礎(chǔ)上降壓10%后，高頻時(shí)鐘域的setupWNS達(dá)到了-3ns左右，而低頻時(shí)鐘域的setupWNS在-1ns以內(nèi)。

圖4. Max frequencyfrom 0.8v to 1.08v

反映在電路頻率上，如圖4所示，clock_group_0和clock_group_1的最高頻率降低了約30%。根據(jù)同類項(xiàng)目的測試數(shù)據(jù)，在工作模式切換時(shí)，芯片VRM輸出電壓最大壓降在8%。在此電壓條件下，參考XICExplorer-XTime的電壓掃描結(jié)果，高頻時(shí)鐘域中部分路徑的時(shí)序是不滿足要求的，為了保證芯片在極限工況下的可靠性，在芯片設(shè)計(jì)過程中需要為高頻時(shí)鐘域的時(shí)序路徑預(yù)留更多的時(shí)序余量。

結(jié)束語

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，ICExplorer-XTime提供的電壓掃描功能很好地滿足了用戶對時(shí)序路徑進(jìn)行多電壓分析的需求，可廣泛應(yīng)用于芯片升壓提頻分析，芯片降壓后的性能分析以及極限低壓下電路功能檢查等使用場景。同時(shí)基于SPICE仿真，ICExplorer-XTime還有很多其它的擴(kuò)展功能，例如老化分析，蒙特卡洛仿真等，可進(jìn)一步滿足芯片時(shí)序路徑的多樣化分析需求。