Лекция № 7. Разводка питающих цепей Энергетическая оптимизация. Статический и динамический анализ питания

Цепи питания – важнейшая структурная часть топологии кристалла, от конфигурации и правильности прокладки которой в очень большой степени зависят электрические и функциональные параметры схемы и даже само функционирование блока или устройства.

Рис. 2.13. Цепи питания проекта

Цепи питания проекта (рис. 2.13) разделяются на глобальные (электропитание ядер) и электропитание периферии, называемое электрообвязкой. Глобальные цепи питания определяются оценкой потребления тока IP-ядер (например, память) и стандартных вентилей, что влияет на ширину колец цепей питания и число контактных площадок цепей питания. Электрообвязка — важная часть обычной области кристалла. Как правило, стандартные области кристалла являются слишком большими, чтобы гарантировать достаточное электропитание только через магистральные цепи питания. В зависимости от длины цепи питания, тактовой частоты, сопротивления шин питания и других параметров падение напряжения или увеличение потребления тока могут произойти по всей длине проводника.

Разводка цепей питания

Трассировка цепей питания осуществляется в несколько этапов. Основы сетки питания закладываются при организации флурплана кристалла. На начальных этапах проектирования принимается решение о создании сетки питания в определенных слоях.

Вначале на этапе планирования кристалла осуществляется размещение контактных площадок с периферийными буферами ввода/вывода. После размещения на некотором удалении от площадок формируются периферийные кольца земли и питания. Каждое из колец может быть организовано двумя способами: способом нанесения широких шин с технологическими окнами, не позволяющими металлу разрушаться при термическом воздействии, и способом набора кольца из группы шин стандартной ширины. Ширина колец предварительно просчитывается и зависит от требуемого тока потребления, рассчитываемого предварительно по результатам синтеза электрической схемы.

Выбор правильной ширины цепи питания всегда взаимосвязан с числом проводников, которые необходимо разместить. Чем шире проводники, тем меньше их требуется. Снижение числа проводников меньше необходимого минимума приводит к ухудшению энергообеспечения области между ними. Большое число проводников усложняет работу разводчика и увеличивает время топологического проектирования. Выбор правильной ширины цепи питания является эмпирическим. Но она должна равняться, как минимум, двойному значению стандартной ширины цепи питания вентиля. Для основных шин питания анализируется потребление тока на IP-ядрах (например, память) и стандартных вентилях, что влияет на ширину колец цепей питания и число контактных площадок цепей питания.

Периферийные кольца подключаются к контактным площадкам питания. В составе библиотек элементов присутствуют две контактные площадки для соединения земли и питания. Максимальные токовые нагрузки определяют способность площадки передавать ток потребителям без необратимых физических разрушений. Исходя из рассчитанного предварительно тока потребления схемы и максимальных токовых нагрузок контактных площадок, размещают требуемое количество этих площадок на каждой из сторон кристалла.

Существует два способа создания сетки питания, различающихся способом организации шин питания в соответствующих топологических слоях.

Первый способ организации сетки питания предполагает построение всех шин питания в самом верхнем топологическом слое металла, являющимся, как правило, самым толстым из всех металлических слоев. Все структуры от элементарных библиотечных ячеек до СФ-блоков подключаются к верхнему слою через группу переходных межслойных контактов. Современные технологи обеспечивают очень низкое сопротивление переходных окон, поэтому падение напряжения на этих межсоединениях будет очень несущественным. Основным плюсом подобной организации является возможность передачи высокой мощности через верхний, более толстый слой металла, имеющий большую нагрузочную способность. Способом организации сетки питания в верхнем слое пользуются, как правило, при наличии в технологии достаточно большого количества металлов.

Второй способ приемлем для построения цепей питания схем, выпускаемых по технологии с небольшим количеством металлов (3-4 металла). При таком способе организация цепей питания производится в нижних, первом и втором, металлических слоях. Обычно трассировка нечетных слоев осуществляется только в горизонтальном направлении, а четных – только в вертикальном, поэтому все кольца формируются из двух слоев металла, соединенных переходными контактами. После создания периферийных колец осуществляют размещение крупных блоков (СФ-блоков) на площади кристалла. Далее вокруг каждого блока, в свою очередь, формируют кольца питания и земли. После того, как все блоки размещены, и кольца вокруг них сформированы, осуществляют прокладку горизонтальных и вертикальных линий питания. Расстояния между горизонтальными линиями равны шагу ячейки. При этом, как правило, ширина горизонтальной шины равна ширине шины, образованной металлом питания (земли) двух стоящих встык ячеек. Прошивку вертикальными шинами осуществляют с регулярно с заданным шагом. Часто используется вертикальная прошивка из двух шин (питания и земли), расположенных рядом. Ширина вертикальной прошивки может быть любой. Вертикальные и горизонтальные линии питания подключают к кольцам блоков и периферийным кольцам кристалла.

Рис. 2.14. Сетка питания на топологии кристалла

На рис. 2.14 представлена топология сетки питания кристалла с периферийными кольцами, кольцами вокруг структурных блоков и горизонтальными рядами.

Энергетическая оптимизация. Статический и динамический анализ питания

После проектирования топологии устройства производится анализ сетки питания. Осуществление power-анализа – обязательное условие подтверждения работоспособности современной полупроводниковой СБИС. Различают два типа анализа: статический анализ и динамический анализ.

Статический анализ сетки питания

Статический анализ показывает места топологии, которые наиболее подвержены влиянию падения напряжения, а также служит для оценки качества сетки питания и определения запаса по мощности.

Эффект падения напряжения на шинах питания может возникать из-за повышенного сопротивления шины питания, а также в результате того, что шина рассчитана на протекание меньшего тока, чем требуется. К повышению сопротивления пути может привести большое значение длины шины, большое количество переходных контактов и межслойных переходов. При этом возможны два варианта влияния падения напряжения на работу устройства. В первом случае, когда падение напряжения повышается в цепи, подключенной к сети данных триггера, не выполняется требование установления сигнала данных перед приходом фронта импульса синхронизации. В этом случае возможен захват неправильных данных триггером по приходу фронта тактового импульса и общий сбой в работе схемы. Во втором случае, когда падение напряжения наблюдается в цепи питания элементов синхронизации, время удержания данных относительно фронта тактового сигнала на входе триггера не соответствует требуемому из-за появления задержки прихода фронта синхросигнала. В этом случае триггер может не успеть захватить нужные данные, что приведет к общему сбою.

Для анализа сетки питания может быть использовано приложение Power System платформы Encounter САПР Cadence. Анализатор разбивает топологию на участки, протягивающиеся от входа питания до потребителей, которые затем анализируются на наличие просадки напряжения питания при известных нормах потребления элементов и вычисленных нагрузках. В результате анализа на экране строится картинка, представляющая собой топологию с окрашенными в различный цвет областями. Каждый цвет соответствует определенному диапазону падений напряжения на шинах питания. Диапазоны падений напряжения можно настраивать вручную. Как правило, максимальное падение напряжения питания не может превышать 5-10 % от номинального. В случае обнаружения отклонений от нормы просадки требуется оптимизировать топологию или произвести синтез топологии заново. Статический анализ может выявить таким образом «узкие» места сетки питания.

Оптимизация топологии по результатам статического анализа

Суть оптимизации сетки питания заключается в устранении просадки напряжения питания на линиях с большим количеством потребителей.

Приложение Power System предлагает два способа оптимизации.

Первый способ оптимизации основан на анализе возможностей улучшения сетки питания за счет улучшения контактирования проводящих слоев. В этом случае приложение анализирует сетку питания и находит места, где одноименные шины питания или земли расположены в различных слоях друг над другом, и предлагает добавить контакт межсоединения. При этом улучшается общее контактирование нагруженной шины, уменьшается электрическое сопротивление, а, следовательно, и падение напряжения в шине питания. Также этот способ оптимизации включает анализ контактирования подложки, в ходе которого оптимизируется запитка структур через подложку.

Второй способ оптимизации предполагает расстановку так называемых развязывающих буферных конденсаторов (deсoupling capacitor), размещаемых под шинами питания в свободных местах и подключаемых к сетям питания. При таком способе оптимизации просадка напряжения уменьшается за счет использования накопленного в конденсаторах заряда в момент роста тока потребления. Чем больше общая емкость таких буферных конденсаторов, тем меньше возможность появления критичной просадки. Однако у такого способа оптимизации сетки питания есть недостаток. При наличии достаточно большого количества буферных конденсаторов может возникнуть резкий скачок тока потребления при подаче питания, связанный с одновременным началом заряда всей массы емкостей. Для устранения этого эффекта используются схема распределенного во времени включения блоков и схема ограничения подачи питания на различные участки сетки питания.

Динамический анализ сетки питания

Динамический анализ позволяет протестировать сетку питания схемы в рабочем режиме. Существует два возможных направления анализа.

В первом случае система анализа проверяет нагрузку на шины питания и просадку напряжения питания по этим шинам при условии переключения определенного процента от общего количества блоков и ячеек, подключенных к этим шинам. Приложение динамического анализа Dynamic Power System по умолчанию устанавливает в качестве нагрузки 20 % от общих структурных элементов. Данные потребляемой мощности для каждой ячейки берутся из технологических файлов библиотеки. Анализ производится непосредственно в момент переключения. Частота переключений определяется пользователем и зависит от тактовой частоты схемы. В результате выполнения такого варианта динамического анализа на экран выводится картинка схемы, окрашенная в различные цвета, соответствующие различным диапазонам уровней мощности потребления и падения напряжения, в свою очередь, зависящее от сопротивления шин и передаваемой по ним мощности.

Второй способ требует наличия тестов, проверяющих работу схемы. Тестовое окружение должно быть, по возможности, более полным, учитывающим все нюансы работы схемы, критичные пути. Полнота тестового покрытия при этом может подтверждаться соответствующими программами анализа. Динамический анализ протекает во время работы в зависимости от заданных воздействий. При таком способе не требуется ограничение количества одновременно переключаемых ячеек и блоков, т.к. схема функционирует в реальном рабочем режиме.

У каждого из представленных выше способов есть свои достоинства и недостатки. Вариант динамического анализа сетки на основе ограничения количества переключений учитывает лишь усредненные среднестатистические значения мощностей потребления, однако к некоторым схемам такие ограничения применять некорректно. Например, в случаях, когда одновременно переключается гораздо большее количество ячеек. Анализ на основе тестового окружения позволяет проверить реальные токи потребления, которые могут быть гораздо выше усредненных. Однако в случае неполноты тестового окружения реальное количество переключений может быть занижено, что может привести к существенным проблемам в области энергоснабжения определенных участков схемы. Исходя из перечисленных выше примеров, можно сделать вывод о необходимости проведения обоих видов анализа. При этом с гораздо большей вероятностью может быть гарантирована надежная работа устройства, а проблемы, связанные с сеткой питания, могут быть учтены и устранены.