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。