garfield芯片的电源网络优化设计

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1、2、扇出网络抗干扰能力减弱．芯片内的串扰情况恶化，信号完整性遭到破坏。同时．细的导线和狭窄的线间距也使得线上的EM效应更易造成短路和开路。电源可靠性问题已经成为集成电路物理设计流程中的一个关键问题。一个芯片要达到预期的性能指标，一个高质量的电源网络是必需的。而设计一个理想的电源网络，需要考虑到芯片Io单元的捧布，芯片的布局规划，芯片内模块的功耗评估等等诸多因素．而且要以不破坏芯片的面积约束和性能要求为前提。设计成功的电源网络往往需要经过若干次的反复，是影响设计周期的重要因素之一。总之，在要求严格的设

2、计中，电源网络的设计规划是一个重点，也是一个难点。1．3课题研究的主要内容和论文结构本文课题研究的主要内容是对系统芯片Garfield的电源网络的设计和验证。使用软件Astro在布局(floorplan)阶段对芯片的电源网络进行规划设计，包括电源和地PAD的排布，芯片内电源网络的结构等。使用AstroRail在布线(routing)后对芯片的电源完整性进行验证，包括IR-Drop和EM效应分析．第一章介绍了集成电路物理设计流程以及电源网络设计在物理设计流程中的重要性。第二章介绍了功耗来源和电源完整性

3、的概念与基本理论，同时介绍了电源网络的组成。第三章详细介绍了电源网络的设计流程。包括电源网络的预计算方法，电源网络设计风格的比较，以及电源网格分析验证的指导思想和方法。第四章以Garfield系统芯片为例，详细描述了电源网格规划、门级功耗分析和电源完整性分析，实验结果表明该设计方法成功控制IR-Drop和EM效应。第五章根据Garfield芯片的电源结构，提出了一种布线后优化的方法：PIG桥，在原有的电源网络基础上进一步改善电源完整性。第六章提出了总结和展望．1．4本论文中一些设定◆芯片中的PG网络

4、是指电源网络和地网络，而在本论文中则统一称为电源网络。◆文中PAD和Io单元同义，均指芯片的Io单元，包括信号IO单元、电源单元、地单元．◆本文中提及的工具一般由Synopsys公司提供。◆文中VDD和电源同义，VSS和地同义22．1基本概念第二章基本理论2．1．1电阻与可靠性——欧姆电压降电流流经有电阻的导线时会导致欧姆电压降，从而降低了信号电平。因为在电源分布网络中的电流能够很容易达到安培级，所以这种效应在电源分布网络中尤为重要，如图2．1所示是Compaq(现,已被liP收购)Alpha处理器

5、系列的功耗演变图．圉2-lCompaq公司^Jph处理器系列的功耗和电源电压的变化过程可以看出，随着产品的进步，电源电压呈不断下降的趋势，同时由于芯片规模的增加，芯片电流和功耗不断提高，这两方面共同作用的结果是芯片的电源完整性问题越来越明显．考虑一条长2cm的VDD或者GND线，其每ion宽度的电流为lmA(由于电迁移的原因这一电流密度已经接近于导线所能承受的最大值，这将在以后讨论)．假设薄层电阻为0．05Q／口，该导线(每Ⅱill宽度)的电阻等于lkQ。一个ImA／p111的电流将导致lV的电压降

6、。供电电压的损失将降低噪声容限并使电路各点的逻辑电平与离开电源端的距离有关。如图2-2的电路所示，图中把3一个离电源和地引线都很远的反相器连接到一个接近电源的器件上。由电源上限电压降引起的逻辑电平差可能使晶体管MI部分导通。这可能引起一个预充电的动态节点x意外放电；如果连接单元是静态CIVlOS逻辑，则有可能引起静态功耗。除了造成可靠性风险外，电源网络的瓜下降也会影响系统性能，因为电源电压的一个很小下降都可能造成延时的明显增加。总之，来自片上逻辑和存储器以及gO引线上的电流脉冲会造成电源分布网络的电

7、压降，并且这是片上电源噪声的主要来源．P∞J图2-2IflR-lD,rop效应引入的电源，地噪声解决这一问题的办法是缩短电源供给的距离，即电源引线端与电路的电源连线端之间的最大距离。最容易实现的办法是设计一个电源分布网络的结构化版图．一般来说，电源和地都是经由位于芯片四周的压焊块引入到芯片中的，图2-3描述了几种电源网络方案。采用何种方法取决于可以用于电源分布的宽线金属层(即厚的、间距大的、最上面的金属层)的数目。(a，顶层金属用于电源，地网络．电源，地交错布线顶层金属的∞％用于电源和时钟的分布4C

8、o)顶层金属水平布线形成电源网络，次层金属垂直布线形成地网络量上面的两层金属的90％都用于电源和时钟的布局(c)两层金属完全用作提供电源／地，该方法可以最大限度的降低电源网络的电阻，可以最大限度的降低片上的自感效应，适用于布线资源丰富的设计图2．-3片上电源分布网络在方法(a)中，电源线和地线交错排布在同一层上，电源从芯片的两边引入，电路单元的电源线就近连接到该电源、地网格上．方法(b)采用两个宽线金属层分布电源、地，电源从芯片的四周引入。这一方法用于Compaq公司