garfield

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2022年12月27日发(作者:初中英语教案模板)

第29卷第3期

2006年9月

电子器件

Chinese Journal Of Electron Devices

VO1.29 No.3

Sep.2006

Optimization of Power Network and Area of the System Chip Garfield 5

WANG Jun。LU.0Ln7z

(National Asic System Engineering Center of Southeast University,Nanjing 210096,China)

Abstract:When SoC design goes into Deep-Submicrometer era,the chip area is much relative to the product

cost.As the area of chip increases,the cost of chip manufacturing becomes more expensive and the SUC—

cessful chip manufacturing rate reduces.Thus decreasing the area of chip is one of the most critical chal—

lenge to the IC backend designers.This article introduces how to use the Astro(backend design tool pro—

vided by Synopsys)to do the optimization of chip area and power network of the system chip Garfield 5.It

achieves the 125MHz at typical case.and chip area within 5.0 mm ̄5.0 mm.

Key words:placement;area;power ring;power network

EEAOC:2220

Garfield 5微处理器芯片的电源网络和面积优化

汪 琚,罗 岚

(东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心,南京210096)

摘 要:深亚微米的集成电路设计中,芯片的面积与成本是紧密相连的。随着芯片的面积增大,其制造成本不断增加,但芯

片成品率却急剧下降。因此在后端版图设计中,设计人员的目标之一就是应尽可能减小芯片的面积。本文介绍了Gadield5

系统芯片的版图设计中,如何利用Synopsys公司的后端设计工具Astro,在布局布线等各个步骤中对芯片面积和电源网络进

行设计和优化,并成功实现典型情况下的125MHz时钟频率、5.0mm ̄5.0mm以内的芯片面积。

关键词:布局;面积;电源环;电源网络

中图分类号:TN43 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2006)O3-0651.o3

本文介绍了Garfield 5(由东南大学设计的内

嵌A720T处理器内核和16 bit定点高性能DSP双

核系统芯片,它是面向中低端PDA等消费类电子

的微处理器)后端电源网络设计和面积优化的几个

方法。它是在SMIC0.18 m工艺下,采用Synop-

sys推荐流程实现的,网表综合使用Design Cx)mpil—

er,后端布局使布线使用Astro,时序验证使用

PrimeTime,形式验证使用Formality,最后使用

Star-RCXT进行参数提取并用Metor提供的Cali-

bre进行物理版图的DRC和LVS验证。整个流程

如图1所示。

1面积优化

在Garfield 5网表综合完成并经过验证后,将 图 Gar{ie1d 后端设计流程图

收稿日期:2006-03—07

作者简介:汪瑁(1979一),女,硕士,现从事集成电路后端设计研究,jun wang@synopsys.com

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652 电 子 器件 第29卷

数据导入Astro中进行布局规划。布局规划主要包

含两方面的工作:一是Pad位置摆放,二是宏单元

位置摆放。

1.1 Pad分布策略

Pad位置的摆放要结合芯片的封装和芯片内部

时序的要求。在Garfield 5设计中共有信号Pad

185个,电源和地总计16对(不包含宏单元独立地

供电电源和地),电源隔离Pad 8个。我们采用的封

装是LQFP216,所以用linear方式来排放Pad,将

功能上接近或关联紧密的信号Pad尽量排放在邻

近的地方(例如数据信号和地址信号等)。特别,因

为C0DEC模块中包含一部分模拟电路,我们将与

它相连的模拟信号的Pad都排放在左边的位置,用

工艺厂商提供的Powercut Pad(隔离电源域)分隔

数字信号和模拟信号,以减小信号间的噪声干扰。

因为Pad数量比较多,开始考虑以Pad—limited方式

来布局,但实验发现,设计的门数量达几百万门,且

宏单元的面积比较大,由pad-limited计算得来的面

积3200 m×3200 m根本无法满足。最终的布局

方案是采用core-limited。以下是不同的Core Uti-

lization(初始利用率)的比较:

在初始利用率为0.5时,Core的面积就已经超

过5ram ̄5mm,这是肯定不满足设计要求的。而

当初始利用率为0.8时,虽然Core的面积比较小,

但是因为宏模块多,占用的面积大,并且要预留的布

线空间大,进行时钟树综合时又会引人大量的缓冲

器或倒相器,它会导致在最后的布线阶段的很多问

题,比如布线资源不够,信号完整性(串扰,IR Drop

等)不好等。而考虑到面积和性能两方面的因素,我

们最终选择初始利用率为0.7的方案。

1.2宏模块布局策略

IO Pad摆放好以后,宏单元位置的摆放也十分

关键。它不仅仅影响芯片的面积,还对整个设计的

时序和电路性能有非常重要的影响,并且它摆放的

位置也对后期的布线资源是否充足起重要作用。在

Garfield5芯片设计中,宏单元有:A720T,数字

PLL三个,单端口4K RAM三个,双端口2K RAM

两个,ADC-PANEL模块和CODEC模块各一个,总

计11个宏模块单元。其中A720T(微处理器IP

核),CODEC(数字解码单元),ADC(A/D转换单

元)和五个RAM存贮器的面积比较大,他们大概占

据总体芯片面积的五分之三,且和外部的接口连线

较多。所以尽量将它们靠近芯片边缘的位置摆放,

这样便于空出中间部分的整块面积给标准单元布

局,以避免将标准单元面积分割成几块而影响到整

个设计的时序。而同类型的模块,例如五个RAM

模块,应尽量摆放在一起,每个宏模块间的预留布线

宽度为30/_tm左右,因为RAM上数据信号和地址

信号线很多,连接很多标准单元,并且在时序上

RAM上的数据等信号和A720T模块关联密切,所

以我们把这几个模块摆放在芯片的右边,另外芯片

右边和上边的PAD也是数据和地址信号。而芯片

左边摆放的是有模拟信号的CODEC等模块,三个

PLL模块很小,尽量靠近边角的地方摆放。

当然,Floorplanning是要经过很多次实验才能

得到对于设计比较适用的方案。一般会在floor—

planning后做快速的placement,根据placement的

结果来评估不同的摆放方案所得到的电路时序的优

劣和信号完整性的好坏。最终Garfield5的整体布

局如图2所示。

图2 Garfield5布局总图

2电源网络分析

由于电源网络上的电流相对较大,它们的走线

都比较宽。而且需要根据电流大小的变化来计算电

源的宽度。因为电流流过电源线(或地线),因为走

线的铝层上的电阻会带来电压降(IR Drop)和电迁

移(Electronic Migration)现象。在电源网络的设计

中,如果不考虑这两方面的问题,则过大的电压降会

导致芯片功能的失效(逻辑错误或者开关速度的降

低),而电迁移会导致电源地线随着时间的推移而过

早的失效。所以为了使芯片正常工作,芯片内部单

元上的电压降(IR Drop)控制在合理的范围内(特别

是芯片中心处的电压降能够达到要求),需要较多的

电源PAD和较宽的电源环以及电源分布。

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第3期 汪堵,罗 岚:Garfield5微处理器芯片的电源网络和面优化 653

2.1电源环的优化

Garfield5的布局左边都是单独的电源域,各个

模块(三个PLL模块,CODEC模块和AIX;一PAN—

EL模块)都有自己独立的供电电源网络。从上图

的电源环的形状也可以看出,左边的宏模块都是隔

离在整个数字电源环之外的,这种做法更有利于控

制端口信号问的噪声干扰,有更好的电路性能。

Garfield5中数字电源环的供电电源PAD共有8

个,供电电源环VDII的宽度至少为60 m(根据

SMIC18库中提供的信息和计算公式以及设计经验

估算出的电源环的宽度值)。由此,芯片面积计算如

下。

4230 um+[6o g.m×2(p/g)+200/ ̄m(pad

height)+80 m(bonding cel1)×2—5030 m

那么芯片面积5030 m×5030 m,这不满足芯片面

积在5mm×5mm之内的设计要求的。所以我们必

须要改进电源环的设计。

并且为防止在电源环走线上挖孑L(DRc规则中

宽度超过34.6 nl铝线视为宽铝,则宽铝要加slot

孑L),每个电源线的宽度设为30 g.m,要达到电源环

宽度至少为60 p.m,那么我们可以有如图3所示的

两种电源环结构方式。

(a)单层铝电源环

(b)双层铝电源环

图3 两种电源环结构示意图

图3(a)是采用高层五铝横向,六铝纵向走线,

虽然满足电源供电方面的要求,但是电源环(包含

power/ground)的宽度达1 20 m。从而使设计面积

超出了5mmX 5mm。而(b)图是横向三铝五铝两层

叠加,纵向四铝六铝叠加,互连的通孔分别使用

Via34和Via56,并不违反DRC的设计规则。此时,

它的电源环(包含power/ground)宽度只需要60

m。显而易见,采取双层叠加式的电源环布线可以

减小芯片的面积同时又保证不影响芯片在电源供

电,IR Drop和EM方面的性能。

2.2电源网络的Strap优化

电源分布还有一个重要的组成部分就是电源规

划中的strap。为了使电源网络尽量均匀的分布在

整个芯片上,细密网格状的straps的效果比较好。

但是,它同时也占用了大量Core的面积,会引起标

准单元布局资源和布线资源的不足。所以在Garf—

ield5中,我们考虑到Core是水平方向摆放标准单

元的,而利用Astro中的Preroute standard cells

Rail mode可以将水平的同一行的row上的标准单

元都连接成电源和地线。所以Garfield 5中的横向

电源分布是相对平均的。纵向电源的分布可以用

Preroute Starps选项来加入宽度为15 m的电源

地线。在加人的straps上,一般可用hardblockge

来阻挡标准单元的插人。其实为了提高空间利用

率,允许Straps上插人标准单元也是常用的做法

(straps上core utilization大约在30 9/6左右,如果利

用率太高会引起布线资源不够,造成布线违规)。

如图2所示,Garfield 5中的straps是大网格

型的。并且纵向straps使用了二铝做垂直的电源

地线。这主要使考虑了后续的布线。如果选用六铝

做垂直电源地线,当标准单元的电源和地线连接到

垂直的电源线上时,将占用Via56、metal5、Via45、

metal4、Via34、metal3、Via23、metal2和Via12的布

线资源,这可能导致垂直电源线附近出现布线拥塞,

特别是在芯片利用率高的情况下,这种拥塞甚至会

导致芯片不能布线成功,其解决方法就只能在垂直

的电源地线两侧留出多一些的空间用于布线,这在

无形中又占用了标准单元的空间,使得标准单元的

布线资源不足,所以它只是一个恶性循环,不能解决

问题。而选用二铝做垂直电源线和地线,可以将二

铝以上的布线资源都作为后期的布线资源。图4是

经过PrimeTime分析出来的Garfield 5的IR Drop

结果。

(下转第659页)

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第3期 薛敏,王明湘:多晶硅薄膜晶体管器件退化机制研究进展 659

[8]Yukiharu Uraokat Yukihiro Moritat Hiroshi Yanot et a1.Jpn

J Appl Phys[-J],2002,41:5894—5899.

[9]T.Yoshida,K Yoshino,^,L Takei,et a1.IEEE International E—

lectron Devices Meeting 2oo3[c],2003,P 8.8:1-4.

[1O] V.Farmakist C.八Dimitriadist J.Brini,et a1.Journal

of Applied Physics['J],1999,85(9):6917—6919.

[11] Yukiharu Uraoka,Noboyuki Hirai,Hiroshi Yanot et a1.

IEEE Transactions on Electron Devices[-J]t 2004,5 1(1):28—

35.

[12]Yukiharu Uraoka,Hiroshi Yano,Tomoaki Hatayamat et a1.

Jpn J Appl Phys[,J],2002,41:2414—2418.

[13]S N‘Volkos,久IL Peaker,L n Hawkins,et a1.Materi—

als Science and Engineering[J],2004,B(109):127-130.

[14]Souvik Mahapatra,P.Bharath Kumar,M.八Alan IEEE

Transactions on Electron Deviees[-J],2004,51(9):1371—1379.

[15]YoungND,Ayres J R IEEETransactions onElectronDe-

vices口],1995,42(9):1623—1627.

[16] ̄anloru Furuta,Yukiharu Uraoka,Takashi Fuyuki.Jpn J

Appl Phys[J],2003,42:4257—4260.

[17]Peng Du-Zen,(;hang Ting-Chang,Chang Chun-Yen,et a1.

Journal of Applied Physics['J],2003,93(4):1926—1932.

[18]Peng Du-Zen,Chang Ting-Chang,Zan Hsiao-Went et a1.

(上接第653页)

图4 Garfield5 IRDrop分析结果

3结束语

本文给出了微处理器芯片Garfield5后端物理

设计中对电源网络和芯片面积优化的一些方法。最

后得到了较优的电源网络结构和设计要求之内的芯

片面积。而在深亚微米的工艺下,信号完整性的问

题越来越突出,而其中的电压降和电迁移都和电源

网络设计息息相关。近年来,电源网络或电源分布

已经成为后端设计人员必须要面对的一个非常关键

Applied Physics Letters[J],2002,80(25):4780-4782.

[19]Tetsuo Kawakita,Hidehiro Nakagawa,Yukiharu Uraokat et

a1.Jpn J Appl Phys[,J],2003,42£3354—3360.

[2O]lhn Tae-Hyung,Kim Tae-Kyung,Lee Byung-I1,et a1.Mi—

croelectronics Reliability[J],1999,39(1):53—58.

[-21]Wong Man t Meng Zhi—guo,Shi Xue-jie.Journal of the Soci—

ety for Information Display[J],2003,11(4):633—637.

[22]Mariueei L t Pecora At Giovannini St et a1.Microelectronics

Reliability[J],1999,39(1):45—52.

[23]Yukiharu Uraoka,Tomoaki Hatayama,Takashi Fuyuki,et

a1.IEEETransactions on Electron Devices[,J],2001,48(10):

2370-2374.

[24]Chen Bo-Ting,Tseng Chang-Ho,Cheng Huang-Chung,et a1.

Electrochemical and Solid-State Letters[J],2004,7(2):G37一

G39.

[25]Schroder Dieter K,Babcock Jeff八Journal of Applied Phys—

ics[J],2003,94(1):1-18.

[26]Huard Vt Denais M,Perrier F,et a1.Microelectronics Relia—

bility[J],2005,45(1):83—98.

[27]ChenG,LiMF,AngCH,et a1.IEEEElectronDeviceLet—

ters[,J],2002,23(12):734—736.

的问题。也有许多学者将电源网络作为独立的课题

进行研究。而各个提供芯片设计软件的公司也陆续

推出专门的应用于电源网络设计的工具。

参考文献:

[1]时听,王东辉,侯朝焕,深亚微米SOC中的电源/地网络设计,

口],微电子学与计算机,2004,21(12):198—202.

[2]乔长阁,孔天明,夏阳,最小面积电源和地线网络的设计,[J],

电子学报,1998,26(8):126—128.

[3]邬少国,Soc中的电源设计、分析与验证,[J],电子产品世界,

2004(11):88-90.

[4]薛华明,高风,支锦杨,利用Astro对ePro系统进行布局布线,

[J],电子设计应用,2005(9):90.

[5]田园,陈咏恩,蓝牙基带芯片后端设计中的布线技术,[D],万

方数据库.

[6]Thomas Roche,Glen Macon,“Power Network Synthesis and

Analysis with JupiterXT and PrimeTime”[R]SNUG BOS-

TON,2005.

[7]Zia Khan,Imtiaz Hussain,Jackson Lee,Nai—Ying Chan,“Ar—

ea and Power Recovery without Sacrifidng Timing”[R]

SNUG San Jose,2004.

[8]Synopsys用户手册[s].

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