| |
Генри Верхейен (перевод Ю. Потапова)
Проблемы целостности сигналов
С наступлением эры субмикронных и нанометровых технологий
(0,18 микрон и ниже) интегральные схемы стали работать на высоких частотах
и потреблять больший ток и мощность при меньших напряжениях питания. Это
привело к более яркому проявлению эффекта паразитной емкостной связи.
Кроме того, масса других паразитных эффектов, которые можно было не учитывать
в проектах предыдущего поколения, стали ключевыми факторами для обеспечения
правильного функционирования и высокой производительности новых микросхем
повышенной плотности. В современных условиях проблема взаимосвязи таких
параметров, как скорость, потребляемая мощность, целостность сигналов
и надёжность, стала столь же актуальной, как и проблема снижения площади
кристалла для устройств предыдущего поколения.
Что такое целостность
сигналов?
Хотя на настоящий момент не существует универсального общепринятого определения
такого понятия, как целостность сигналов, оно охватывает все физические
эффекты, проявляющиеся при проектировании интегральных схем и приводящие
к их неправильному функционированию или искажению формы сигналов. Наиболее
заметным из них является эффект паразитной емкостной связи между проводниками,
приводящий к возникновению в них перекрёстных искажений. Кроме него, на
целостность сигналов влияют:
- шумы и задержки как следствие перекрёстных искажений;
- падение напряжения на внутреннем активном сопротивлении;
- электромиграция и плотность тока;
- индуктивность.
Перекрёстные искажения возникают из-за взаимной емкостной связи между
проводниками микросхемы, в результате чего при изменении уровня сигнала
в проводнике форма сигнала в соседних проводниках также изменяется. Эти
эффекты почти не проявлялись при использовании технологии с шириной проводников
0,5 мкм и больше. По мере повышения плотности схем и перехода к 0,25-мкм
и меньше технологии, емкостная связь начинает расти вследствие сближения
проводников и роста их относительной толщины.
Рис. 1 показывает, что ёмкость связи Cc в устройстве, выполненном по
0,18-мкм технологии выше, чем в 0,5-мкм.
Мерой оценки эффекта перекрёстных искажений является отношение ёмкости
боковой связи Cc, возникающей между проводниками, расположенными на одном
слое, к ёмкости межслойной связи Cs, возникающей между проводниками, расположенными
на разных слоях. Эффект взаимосвязи становится более видным, поскольку
развитие технологии приводит к использованию геометрических объектов меньшего
размера. Согласно докладам, представляемым на регулярно проходящей международной
конференции International Technology Roadmap for Semiconductors, ёмкость
боковых связей для технологий 1999 года превышала ёмкость межслойных связей
почти в три раза, а к 2006 году это соотношение достигнет пяти (рис. 2).
Наиболее ярко перекрёстные искажения проявляются в проводнике-приёмнике
при изменении уровня сигнала в проводнике-источнике. При анализе этого
эффекта подразумевается выбор одной из цепей в качестве приёмника помехи,
а всех остальных окружающих её цепей в качестве источников. Когда цепь-приёмник
находится в покое (собственный сигнал в ней отсутствует) или в установившемся
состоянии (собственный сигнал присутствует, но его уровень не изменяется)
анализ перекрёстных искажений может быть проведён в статическом режиме.
Если в результате скачков напряжения на проводниках-источниках в цепи-приёмнике
наводится сигнал уровня, достаточного для того, чтобы изменить её логическое
состояние (из логической “1” в “0” или наоборот), это может вызвать срабатывание
последующих устройств, например, триггера (рис. 3), что в свою очередь
приводит к неправильному функционированию системы.
Часто явление перекрёстных искажений приводит к неустойчивой синхронизации
сигналов, особенно когда периоды переключения (фронты) в цепи-приёмнике
и цепи-источнике перекрываются. Когда переключение сигналов в цепях происходит
в противоположных направлениях, это может стать причиной запаздывания
сигнала в цепи-приёмнике или увеличения его длительности. При сонаправленном
переключении сигналов длительность импульса в цепи-приёмнике может оказаться
короче, что приведёт к сокращению времени удержания в триггерах и защёлках.
Задержка фронта, возникающая в результате перекрытия периодов переключения
в цепях, не может быть смоделирована точно посредством замены ёмкости
связи на эквивалентную схему с емкостями, соединёнными с землёй, как показано
на рис. 4
(2 конденсатора — на землю в случае встречного изменения сигнала и ни
одного конденсатора при сонаправленном изменении сигналов). Здесь начинает
работать отношение ёмкости связи к суммарной ёмкости цепи, являющееся
важной переменной при анализе эффектов перекрёстных искажений. Это отношение
предоставляет ценную информацию и может быть использовано при отбраковке
изделий. Однако, оно не обладает количественной информацией, необходимой
для оценки эффектов перекрёстных искажений. Для корректного моделирования
этих эффектов необходим такой инструмент анализа, который может моделировать
динамическую скорость переключения. Для правильной оценки перекрёстных
искажений нужна также информация о времени переключения в цепи источника.
На рис. 5 показано, что, в зависимости от времени переключения в цепях-источниках,
временная задержка в цепи-приёмнике может быть различной.
Современные методы анализа перекрёстных искажений применяются после разработки
топологии, когда программа моделирования схемотехнического уровня (например,
Spice), использующая специальные модели и векторы, пытается проанализировать
все паразитные эффекты на подложке и идентифицировать проблему. Обнаруженные
проблемы, как правило, решаются корректировкой топологии. Самые современные
системы используют или специальные дополнительные методы моделирования,
позволяющие анализировать временные эффекты в статическом режиме на транзисторном
и вентильном уровнях, или специальные программы моделирования, способные
решать задачи по расчёту и идентификации помех. Однако, в целом процедура
анализа перекрёстных искажений, возникающих из-за паразитных емкостных
связей, достаточно утомительна, и решение любой идентифицированной проблемы
требует больших усилий. Рекомендации по ручному исправлению работают лишь
для узкого круга практических задач. В общем случае, такой подход требует
нескольких последовательных итераций постановки задачи и моделирования,
что может привести к значительному увеличению времени проектирования.
Поскольку указанные проблемы желательно идентифицировать до топологического
проектирования, существуют другие системы, производящие анализ перекрёстных
искажений уже во время размещения и трассировки схемы. Существует набор
эвристических правил, которые служат критериями первичной идентификации
проблем перекрёстных искажений (например, максимально допустимое значение
длины двух параллельных проводников) на этапе трассировки проекта, после
чего автоматически запускается программа моделирования, производящая более
подробный анализ данного участка топологии. Как только критическое место
будет выявлено, автотрассировщик попробует изменить топологию таким образом,
чтобы или увеличить расстояние между данными цепями, или разместить их
в разных слоях. Для большинства сложных и высокоскоростных проектов это
может потребовать значительных усилий по разрыву и восстановлению проводников
без гарантии полного решения проблемы в автоматическом режиме.
Улучшенный подход к трассировке заключается в принудительном ограничении
на длину любых двух параллельно проложенных проводников. Однако, он базируется
на эмпирических данных и не отражает всю физику эффекта перекрёстных искажений,
где присутствует зависимость от взаимного расположения фронтов сигналов
в разных цепях. Указанное ограничение может оказаться неоправданно жёстким,
что приведёт к перегрузке программы трассировки. Кроме того, здесь не
может быть определена средняя длина цепей, максимально подверженная перекрёстным
искажениям, и проблема сохранится. Ряд компаний уже сообщили о существовании
интеллектуальных систем автотрассировки, правильно понимающих эффекты
перекрёстных искажений, но они ещё несовершенны и могут привести к перегрузке
трассировщика из-за чрезмерно жёстких ограничений. Далее, в случае отсутствия
точной информации о времени прихода сигналов, оценка перекрёстных искажений
может быть выполнена с большим запасом, что так же пагубно отразится на
результатах трассировки.
Новый подход к анализу перекрёстных
искажений
Идентификация проблем перекрёстных искажений на этапах трассировки или
обработки уже готовой топологии является слишком запоздалой, использование
же системы анализа на посттопологическом этапе и вовсе неприемлемо из-за
значительного увеличения времени проектирования. Новый подход ориентируется
на раннее выявление перекрёстных искажений и их подавление во время размещения
или глобальной трассировки, что достигается непрерывной обработкой моделей.
Здесь физическое проектирование прогрессивно разделено на небольшие ячейки
с оптимизацией связности, синхронизации, мощности и перегрузки на всех
этапах, включая анализ перекрёстных искажений.
Основой для решения проблем перекрёстных искажений является интегрированный,
инкрементный статический анализатор временных характеристик, учитывающий
паразитные физические процессы и имеющий механизм экстракции RC-схем замещения
связанных цепей. В самых современных инструментах такой анализатор временных
характеристик позволяет смоделировать перекрытие фронтов сигналов в различных
цепях и выявить потенциально опасные места схем. Так как на данном этапе
в проекте ещё не имеется никакой информации о топологии устройства, для
выявления проблемных мест может быть использован статистический метод.
Анализ фронтов сигналов в схеме позволяет построить гистограммы, на которых
изображается зависимость плотности распределения фронтов от времени с
учётом времени переключения сигнала в цепи-приёмнике (рис. 6).
Сложность моделей связей снижается с понижением её уровня. Основные исследования
по анализу перекрёстных искажений на базе информации о фронтах сигналов
проводились в университете Carnegie Mellon. Согласно разработанной здесь
технологии, цепи с сигналами, которые являются потенциальными жертвами
перекрёстных искажений, будут иметь дополнительные признаки, предписывающие
системе глобальной трассировки выполнить для этих цепей или большие зазоры,
или экранирование, или повторную разводку в системе локальной трассировки.
Локальный трассировщик представляет собой бессеточную (основанную на точных
геометрических формах) систему автоматической трассировки, позволяющую
изменять ширины проводников и зазоры между ними с целью подавления перекрёстных
искажений. Он включает механизмы, позволяющие напрямую связать ограничения,
направленные на снижение перекрёстных искажений, с весовыми оценками качества
трассировки и избежать влияния искажений на длительность фронтов и задержки
в цепях. Аналогичным образом производится анализ шумов, возникающих в
результате наличия паразитных связей. Здесь вместо анализа вклада перекрёстных
искажений в задержке тракта производится моделирование формы наведённого
сигнала в цепи-приёмнике. Если наведённый сигнал превышает порог, заранее
заданный для логической ячейки, управляемой данной цепью, то нарушение
будет выявлено и устранено локальным трассировщиком.
Электромиграция
Субмикронные технологи принесли в электронику проблемы электромиграции
и дезинтеграции цепей в кристаллах вследствие наличия высокой плотности
тока. По мере усложнения и увеличения скорости схем, через соединения
будут протекать большие токи. В то же время, по мере совершенствования
технологии фотолитографии, проводники становятся уже, достигая ширины
0,13 микрон. Плотность тока, определяющая его количество, протекающее
через проводник единичной площади сечения, растёт нелинейно по мере снижения
топологических проектных норм. Производство уже не может обеспечивать
площадь сечения проводников, необходимую для гарантии целостности цепи
в диапазоне используемых ширин. Когда слишком высокая плотность тока воздействует
на проводники в течение длительного времени, металл разрушается, что приводит
к появлению обрывов и коротких замыканий и, как следствие, к отказу всего
устройства. В результате, это может закончиться забракованием всей партии
дорогостоящих микросхем. На рис. 7 приведена фотография проводника, повреждённого
в результате проявления электромиграции.
Электромиграция традиционно рассматривалась как проблема устройств с
широкими шинами питания и решалась на окончательных этапах разработки
проекта. Однако, в современных условиях это неприемлемо, так как теперь
перегрузка может произойти и в сигнальных цепях. Исследование эффектов
электромиграции стало важным и для цепей синхронизации, где число контактов
и межслойных соединений может быть недостаточным для протекания требуемого
тока. Решение, которое обеспечит достаточное значение ширины проводников
без излишних запасов, появилось совсем недавно и теперь предлагается рядом
компаний – производителей систем САПР. Подход состоит в том, чтобы идентифицировать
потенциальные проблемы, связанные с плотностью тока в данной топологии,
и устранить их посредством её изменения. Однако этот посттопологический
этап подразумевает тщательную экспертизу схемы и топологии, увеличивающую
время цикла проектирования. Это далеко не единственный недостаток данного
метода. Так, увеличение ширины проводника в современных проектах может
быть просто невозможным, а это означает возвращение на этап разработки
топологии, переработку её уже с учётом результатов, полученных в предыдущем
цикле проектирования, и дополнительные потери времени. Отсюда вывод: анализ
эффектов электромиграции на посттопологическом этапе проектирования является
слишком запоздалым.
Наилучшим решением проблем электромиграции является определение правильной
ширины проводников по мере их размещения. Именно такой подход используют
современные системы САПР, рассчитывающие рекомендуемую ширину проводников
в процессе их размещения. Ток, протекающий в каждом проводнике во время
перехода уровня, рассчитывается специальным модулем моделирования. Результат
такого расчёта достаточно точный, так как здесь учитываются правильные
емкостные нагрузки анализируемых цепей. Среднее или среднеквадратичное
значение тока связывается с частотой переключения сигналов в цепях, полученной
из результатов предыдущих этапов моделирования (например, из VCD-файла
системы моделирования Verilog) или через счётчики переходов, используемых
во встроенной системе моделирования.
По мере перехода проектов к более узким проводникам и сотням миллионов
вентилей, возрастает важность связанных с электромиграцией тепловых эффектов,
известных как эффекты саморазогрева, особенно в цепях сигналов и синхронизации.
По информации о мощности, потребляемой логическими ячейками в пределах
ограниченной площади кристалла, современные системы проектирования могут
вычислить для неё среднюю температуру, используемую для получения рекомендуемой
ширины проводников и числа межслойных соединений. После этого глобальная
система трассировки может выделить требуемую площадь для работы локального
трассировщика. Заметим, что описанный подход не требует посттопологического
анализа эффектов электромиграции и ручного исправления выявленных проблем.
Паразитное падение напряжения на внутреннем
активном сопротивлении
Проблема падения напряжения проявляется при протекании большого тока
в резистивных цепях питания или заземления. В результате этого снижается
быстродействие. По мере перехода к субмикронным технологиям, проблема
паразитного падения напряжения становится ещё более актуальной из-за следующих
факторов:
- увеличения токов, связанного с увеличением числа устройств в проекте,
а также большим потреблением каждого устройства;
- увеличения сопротивления проводников за счёт уменьшения их сечения
и числа межслойных соединений;
- снижения напряжения питания до 1,5 В и ниже.
Например, на сопротивлении 1 Ом при токе величиной 1 А падение напряжения
составляет 1 В, что соответствует 2/3 от напряжения питания 1,5 В. В этом
случае в микросхеме может произойти отказ по одной из следующих причин:
- ухудшение характеристик (снижается быстродействие схемы относительно
теоретически рассчитанной);
- функциональные сбои (изменяется длительность фронтов и уровни сигналов);
- ненадёжное функционирование (снижается запас помехоустойчивости).
Рис. 8
демонстрирует влияние эффекта паразитного падения напряжения в цепи
питания VDD на характеристики буферного элемента. Из-за снижения напряжения
в цепи питания во фронтах импульсов появляются дополнительные задержки.
В общем случае, эти проблемы могут быть выявлены только на этапе прототипирования,
когда первые экземпляры устройств поступают с производства. Однако, усилия
по идентификации проблемного элемента схемы могут привести к существенному
увеличению длительности цикла производства. В большинстве проектов разработчики
пытаются избежать возможного проявления описываемых эффектов путём использования
неоправданно широких шин питания и специальной топологии. Однако, соответствующее
этому сокращение доступных для трассировки ресурсов в современных условиях
недопустимо.
В последнее время различные компании, производители систем САПР, предлагают
собственные инструменты для динамического анализа паразитных падений напряжения
в цепях в моменты переключения. Как правило, для точной оценки падения
напряжения необходима программа моделирования на транзисторном уровне.
Во время размещения и трассировки схемы список её соединений, необходимый
для запуска программы моделирования, как правило, отсутствует, а сам запуск
может занять много времени и привести к неоправданному замедлению процесса
проектирования. Требование значительных вычислительных ресурсов накладывает
ограничения на посттопологический анализ устройства и может стать причиной
задержки передачи проекта в производство. Благодаря использованию моделей
питания на уровне вентилей, можно будет отказаться от списка соединений.
Однако, требуемые в этом случае вычислительные ресурсы ещё слишком велики,
чтобы допустить проведение анализа по мере практического размещения и
трассировки схемы. Присутствует также проблема зависимости результатов,
полученных на транзисторном и вентильных уровнях моделирования, а также
реальных характеристик кристалла.
Решение проблем паразитного падения напряжения кроется в раннем их обнаружении:
на этапах размещения и глобальной трассировки. В этом случае нагрузки
могут быть получены достаточно точно, и ещё остаётся определённая свобода
для размещения ячеек, благодаря чему устраняются проблемы синхронизации
и некоторые другие проблемы субмикронных технологий. Структура системы
питания должна быть определена на этапе физического прототипирования,
так как сильно влияет на трассировку сигнальных цепей, перегрузку трассировщика
и размещение ячеек на последующих этапах.
Для анализа паразитного падения напряжения все токи внутри ячеек суммируются
и представляются в виде одного источника тока. Такие источники располагаются
в некоторой сетке питания (рис. 9). Далее по результатам работы быстрого
анализатора падений напряжения строится цветовая карта прогрева кристалла
и производится корректировка сети питания для минимизации паразитных эффектов.
Как правило, сеть питания строится со значительным запасом. Анализ позволяет
получить оптимальные значения ширины проводников на различных участках
сети питания и выиграть значительное количество места на кристалле. Если
изначальная сеть питания не удовлетворяет рассчитанным значениям токов
в ячейках, то ширина проводников будет увеличена, а возможно и будут добавлены
дополнительные проводники. Пользователь может провести также анализ ”что,
если” и выявить дополнительные пути оптимизации проекта.
Индуктивность
 По
мере того, как с развитием 0,13-мкм технологии частота синхронизации превысила
500 МГц, в кристаллах стали проявляться индуктивные эффекты, способные
причинить значительный вред специализированным (ASIC и ASSP) устройствам.
Моделировать абсолютно все индуктивные связи и эффекты самоиндукции в
устройстве нет никакой необходимости, так как индуктивный эффект является
критическим только для цепей с высокочастотными сигналами, эффект самоиндукции
“на кристалле” является важным только для длинных цепей, а эффект взаимоиндукции
влияет только на длинные параллельные участки цепей. Чтобы снизить индуктивные
эффекты, наиболее важно обеспечить правильный путь возвращения высокочастотных
токов в общий провод. Эта задача чрезвычайно затруднена для автоматических
инструментов размещения и трассировки, так как в настоящее время нет достаточно
точного механизма анализа происходящих в них эффектов.
Тем не менее, для схем, критичных к индуктивным эффектам, существуют специальные
рекомендации по проектированию. Во-первых, устройство должно иметь сигнальные
слои, расположенные между двумя сплошными слоями питания и заземления
(рис. 10a), хотя она больше не используется из-за высокой стоимости производства
и потребляемой мощности. Во-вторых, экранировать цепи синхросигналов надо
так, чтобы высокочастотные токи возвращались в общий провод, расположенный
на том же слое параллельно цепи синхронизации (рис. 10б). Третья рекомендация
заключается в использовании общего провода, проложенного вдоль шины сигналов,
из расчёта один земляной провод на 4–8 сигнальных (рис. 10в).
 Как
уже говорилось, индуктивные эффекты критичны для цепей с высокоскоростными
или высокочастотными сигналами. Для длинных проводников, современные инструменты
проектирования автоматически добавляют инверторы (рис. 11), чем достигается
подавление этих эффектов. Лучший же способ заключается в том, чтобы осуществить
такую глобальную и локальную стратегию трассировки, которая устраняет
потребность в подробном моделировании и анализе индуктивных эффектов.
EEdesign Exclusive
|
