Введение к работе
Диссертационная работа посвящена решению научно-технической проблемы, имеющей важное значение для создания и совершенствования средств автоматизации проектирования микроэлектронных систем разработке математических методов и программного обеспечения для логического и логико-временного анализа цифровых КМОП СБИС, проектируемых на основе перспективных технологий с топологическими размерами в нанометровом диапазоне (100 нм и ниже)
Актуальность темы.
Основной тенденцией развития интегральных микросхем является постоянное уменьшение минимальных размеров, в пределах которых может быть достигнуто успешное формирование элементов и межсоединений на кристалле Ключевым параметром в современных технологиях является минимальный размер затвора транзистора, который уменьшается примерно в 1,5 раза каждые два года На рубеже тысячелетий началось производство с применением технологических норм 130, 90 и 65 нм К 2007 году ведущие западные микроэлектронные компании освоили массовое производство для технологий с нормой 65нм, начали разработки проектов для технологий с нормой 45нм, а также разработку перспективных библиотек и функциональных блоков для технологий с нормой 32нм
Аналогичные тенденции также находят свое выражение в планах развития отечественной микроэлектроники В подпрограмме "Развитие электронной компонентной базы" Федеральной целевой программы "Национальная технологическая база" на 2007-2011 г г
предусматривается разработка базовых технологий производства, технологии проектирования и конструктивно-технологических решений библиотеки логических и аналоговых элементов, запоминающих устройств, сложных функциональных блоков для различных типов СБИС с топологическими размерами глубоко субмикронного уровня (0,2 - 0,1 мкм и ниже)
В связи с уменьшением топологических размеров, повышением степени интеграции СБИС и сокращением сроков проектирования возникают принципиально новые требования к проектированию СБИС Однако на протяжении нескольких последних десятилетий возможности моделирования постоянно отставали от темпов развития технологий и потребностей электронной промышленности Новые технологические возможности, а именно, появление глубоко субмикронных и нанометровых технологий, а также увеличение количества технологических слоев, привели к появлению новых функциональных требований к моделированию Размеры элементов СБИС приблизились к физическим пределам, и на поведение цифровых схем существенное влияние стали оказывать аналоговые эффекты помехи емкостных связей межсоединений, сопротивление шин питания и земли, индуктивность и взаимная индукция межсоединений Если раньше все эти эффекты анализировались на заключительном этапе верификации проекта, после проектирования топологии, то теперь их необходимо учитывать уже на ранних стадиях логического проектирования и размещения элементов Таким образом, с переходом на глубоко субмикронные и нанометровые технологии повысилась актуальность смешанного и
многоуровневого моделирования, сочетающего в себе логические, схемотехнические и топологические методы
Существующие коммерческие САПР не обеспечивают достаточный уровень надежности и достоверности проектирования при решении ряда проблем, связанных с анализом и оптимизацией проектов в соответствии с новыми технологическими и функциональными требованиями Новые актуальные проблемы проектирования требуют решения задач логического и логико-временного анализа с уточненной оценкой всей текущей проектной информации Переход на уровень нанометровых технологий с размером транзистора 100 нм и ниже порождает ряд принципиально новых проблем, не решенных в существующих САПР СБИС К ним, прежде всего, можно отнести
Высокий удельный вес межсоединений в расчете задержек и потребляемой мощности
Высокий удельный вес ошибок в точности воспроизведения технологических размеров и параметров и, как следствие, необходимость учета вариаций (те неопределенности) технологических и схемных параметров
Большие вычислительные затраты при точном анализе проектов на электрическом и топологическом уровне
Появление этих новых проблем делает необходимым разработку принципиально новых подходов и методов решения задач проектирования. Использование известных алгоритмов для решения новых задач затруднено, в частности, из-за разного характера моделей для различных аспектов описания схемы логического,
схемотехнического, топологического Возникает потребность в создании нового поколения методов и алгоритмов, обеспечивающих решение новых проблем на стыке традиционно разделяемых областей, этапов или уровней проектирования
Диссертационная работа направлена на решение перечисленных новых актуальных проблем и посвящена исследованию методов автоматизации проектирования на стыке традиционно разделяемых аспектов, этапов и уровней проектирования
Цель диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является разработка математических моделей, алгоритмов и программных средств логического и логико-временного анализа цифровых КМОП СБИС, обеспечивающих радикальное ускорение и повышение надёжности проектирования интегральных микросхем, разрабатываемых на основе перспективных глубоко субмикронных и нанометровых технологий
Объект исследования.
Объектом исследования является задача автоматизации проектирования интегральных микросхем Предметом исследования является процесс автоматизированного проектирования цифровых СБИС
Задачи исследования.
Основная задача работы состоит в разработке и исследовании методов логического и логико-временного анализа КМОП СБИС,
обеспечивающих решение комплекса новых проблем, возникающих при переходе на технологии с размером транзистора 100 нм и ниже, и включающих в себя, прежде всего, проблемы учета радикально возросшего влияния межсоединений на быстродействие и логику работы схемы, а также необходимость учета вариаций технологических и схемотехнических параметров
Для достижения поставленной цели и преодоления перечисленных выше проблем в диссертационной работе был выбран подход, направленный на повышение достоверности логического и логико-временного моделирования и основанный на уточненном анализе аналоговых эффектов в цифровой схеме с учетом логических корреляций Для реализации такого подхода были определены следующие задачи
Разработка и исследование эффективных методов анализа логических корреляций в КМОП-схеме, в том числе для схем на транзисторном уровне, восстановленных из топологии
Разработка новых методов анализа быстродействия цифровых СБИС, обеспечивающих эффективный и точный расчет задержек межсоединений и позволяющих учитывать специфические особенности современных технологий проектирования
Разработка и исследование методов анализа влияния емкостных связей межсоединений на логику работы и быстродействие цифровой СБИС
Разработка производительных методов характеризации библиотек, в том числе с учетом вариаций различных параметров, а также с использованием современных форматов описания
библиотечных элементов, ориентированных на уточнённый анализ межсоединений
Разработка новых методов логико-электрического анализа быстродействия на основе современных стандартов проектирования библиотек элементов, ориентированных на уточненный анализ межсоединений
Программная реализация и проведение численных экспериментов
Методы исследования.
В диссертационной работе для решения поставленных задач используются методы булевой алгебры, аппарат теории множеств, теория графов, теория вероятностей, теория языков программирования
Научная новизна.
Научная новизна диссертационной работы заключается в теоретическом обобщении по представлению решения комплекса проблем логического, логико-электрического и логико-временного моделирования цифровых КМОП СБИС, разрабатываемых на основе перспективных глубоко субмикронных и нанометровых технологий
- Предложен новый метод анализа логических ограничений в КМОП-схеме на основе правила резолюций, включающий в себя правила формирования исходной системы логических ограничений на транзисторном уровне, в том числе для схем, восстановленных из топологии, правила редукции системы логических ограничений, эффективный алгоритм сложности 0(N log(N)) для быстрого распространения логических ограничений вдоль схемы
Разработана теоретико-графовая модель системы логических ограничений на основе гиперграфа логических ограничений, обеспечивающая эффективный метод хранения системы ограничений и эффективные методы обработки ограничений
Разработан новый алгоритм распространения вариаций задержек и фронтов вдоль схемы с учетом вариаций длительности входного фронта и емкостей нагрузок В отличие от известных работ по статистическому временному анализу, новый алгоритм использует результаты процедур характеризации промышленных библиотек стандартных ячеек, и тем самым обеспечивает интеграцию с моделями задержек, применяемыми в современных коммерческих САПР.
Предложен новый подход к анализу помехоустойчивости в цифровых схемах на основе метода резолюций для учета корреляций между сигналами, налагающих запрет на одновременное переключение "узлов-агрессоров", индуцирующих помеху в "узле-жертве"
Разработан алгоритм формирования характеристической ROBDD для кластера узлов схемы и нахождения максимально возможной помехи, индуцируемой в "узле-жертве"
Предложены новые методы анализа влияния помех на задержку распространения сигналов в путях цифровых СБИС, повышающие достоверность в оценке быстродействия с учетом влияния емкостных связей межсоединений за счет анализа логических ограничений в схеме
На защиту выносятся следующие положения и научные результаты
Новый подход к анализу логических ограничений в КМОП-схеме на основе метода резолюций, обеспечивающий поиск логических ограничений на транзисторном уровне, в том числе для схем, восстановленных из топологии.
Новые методы анализа быстродействия цифровых СБИС, включающие в себя, в том числе, учет логических ограничений в схеме и статистических вариаций технологических и схемных параметров
Новые оригинальные методы анализа влияния емкостных связей межсоединений на логику работы и быстродействие цифровой СБИС, в том числе специализированные методы для высокоскоростных схем типа "домино".
Новые производительные методы характеризации библиотек, в том числе с учетом вариаций различных параметров, а также с использованием современных форматов описания библиотечных элементов, ориентированных на уточнённый анализ межсоединений
Новые методы логико-электрического анализа быстродействия на основе современных стандартов проектирования библиотек элементов, ориентированных на уточненный анализ межсоединений
Реализация научно-технических результатов работы. Разработанные алгоритмы доведены до программной реализации Проведен цикл численных экспериментов На основе
полученных результатов разработан комплекс программ для анализа цифровых КМОП-схем, внедренный на ряде предприятий электронной промышленности, в том числе на предприятиях ОАО "Ангстрем-М", ФГУП "НПО Измерительной Техники", ФГУП НИИМА "Прогресс", а также в учебный процесс МГИЭТ (ТУ)
Достоверность результатов.
Достоверность результатов, представленных в работе, подтверждается согласованностью с известными подходами, опубликованными в литературе, адекватностью математических моделей, многочисленными результатами экспериментальной проверки предложенных методов с использованием разработанного на их основе программного обеспечения, согласованностью результатов работы разработанного программного обеспечения с результатами других систем автоматизированного проектирования, такими как Synopsys (Prime Time, Design Compiler), Cadence (Celtic, Encounter)
Практическая ценность
Результаты работы могут найти применение при проектировании широкого класса заказных и матричных микросхем на этапах логического и логико-временного анализа, а также на этапе верификации схем с учетом топологической реализации Предложенные алгоритмы могут быть использованы в комбинации с другими средствами САПР СБИС для повышения эффективности, улучшения качества и надежности проектирования, главным образом для СБИС, разрабатываемых на основе глубоко субмикронных и нанометровых технологий с размером транзистора 180, 130, 90 нм и
ниже Повышение качества и надежности проектирования достигается за счет комплексного учета разнородной проектной информации, традиционно относящейся к различным этапам и уровням проектирования, благодаря комбинации логических и электрических методов в сочетании с учетом параметров топологической реализации
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на научных семинарах в ИППМ РАН, на
Европейской конференции по проектированию и тестированию
интегральных схем "ED&TC" (Франция, Париж, 1997), 3-й
международной конференции "Микроэлектроника и
информатика" (Москва, 1997), 1-м международном семинаре по
проектированию мульти-архитектурных низкомощных
интегральных схем "MALOPD" (Москва, 1999), Международном семинаре по помехоустойчивости интегральных схем "Signal Integrity Workshop" (США, Остин, 2000), 3-й международной конференции "Электроника и информатика - XXI век" (Москва, 2000), Международной конференции по компьютерному проектированию интегральных схем "ICCAD" (США, Сан-Хосе, 2001), Международном симпозиуме по качественному проектированию интегральных схем "ISQED" (США, Сан-Хосе, 2002), Международной конференции по компьютерному проектированию интегральных схем "ICCAD" (США, Сан-Хосе, 2003), Европейской конференции по проектированию и тестированию интегральных схем "DATE" (Франция, Париж, 2004), Международной
конференции по компьютерному проектированию интегральных схем
"ICCAD" (США, Сан-Хосе, 2004), на Всероссийской научно-
технической конференции "Проблемы разработки перспективньк
микроэлектронных систем - 2005" (МЭС) (Москва, 2005),
Международной конференции по интегральным системам и схемам
"ACISC" (США, Остин, 2006), Всероссийской научно-технической
конференции "Проблемы разработки перспективных
микроэлектронных систем - 2006" (МЭС) (Москва, 2006), Международном симпозиуме корпорации Intel по проектированию интегральных схем и технологическим решениям (Израиль, Хайфа, 2007)
Публикации.
Список опубликованных по теме диссертации научных трудов составляет 35 работ, в их числе одна монография и 7 статей в научных журналах, входящих в Перечень периодических изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикаций основных результатов диссертаций на соискание степени доктора наук
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 127 пунктов
