Введение к работе
Актуальность проблемы
Безошибочность проектирования СБИС во многом определяется достоверностью используемых компактных моделей МОП-транзисторов. Однако достоверность современных моделей ограничивается их сложностью, приводящей к множеству ошибок, которые невозможно обнаружить в процессе разработки и верификации модели. Количество ошибок, вносимых в модель в процессе ее разработки и эксплуатации, определяется числом допущений, принятых при синтезе модели, числом параметров модели и объемом программного кода. Ни один из перечисленных источников ошибок невозможно ослабить, используя традиционный подход к построению компактных моделей, основанный на упрощении фундаментальной системы уравнений полупроводника. Многочисленные попытки решить данную проблему в рамках традиционного подхода породили более сотни моделей, однако проблема достоверности остается нерешенной. Каждая новая модель во время эксплуатации обнаруживает наличие грубых ошибок, не выявленных в процессе ее верификации. Со временем острота данной проблемы растет, поскольку с уменьшением размеров транзисторов увеличивается число новых физических эффектов, которые должны быть учтены в модели. Как следствие, растет число параметров модели, сложность их идентификации и объем программного кода. Поэтому по мере совершенствования технологии СБИС достоверность компактных моделей падает.
Попытки решить проблему достоверности путем упрощения модели привели к созданию табличных компактных моделей, которые, как показали многочисленные исследования, имеют такие недостатки, как проблемы с монотонностью кривых, точностью высших производных, а также большой объем хранимых данных, невозможность регулировки параметров и др.
Из теории подобия и моделирования известно, что наибольшую точность и достоверность имеют натурные модели, в которых вместо математических зависимостей используется натура (т.е. сам исследуемый объект). В этом случае моделирование вплотную приближается к натурному эксперименту, чем и объясняется высокая достоверность и точность этого метода.
Применительно к задаче моделирования СБИС натурная модель может быть построена на основе реального транзистора, изготовленного по той же технологии, что и проектируемая СБИС. Благодаря тому, что такой транзистор весьма близок к объекту моделирования, а параметры модели оказываются частично "встроенными" в реальный транзистор в процессе его изготовления, резко падает сложность модели, поскольку полунатурная модель практически не требует принятия допущений при ее синтезе, написания программного кода и идентификации параметров. Применение реальных транзисторов для модели-
Веников В. А. Теория подобия и моделирования. - М.: Высшая школа, 1976. - 479 с.
рования электрических цепей широко использовалось до компьютерной эры в форме макетирования, а в настоящее время применяется в виде тестовых кристаллов, используемых для проверки функционирования отдельных фрагментов будущей СБИС.
Однако реальный транзистор в качестве своей собственной модели не может быть использован при моделировании СБИС, поскольку он не может быть настроен на моделирование всех транзисторов СБИС, не позволяет моделировать динамику и не может быть встроен в стандартные SPICE-подобные программы моделирования.
Поэтому возникает задача разработки новых методов моделирования СБИС, совместимых с современными методами проектирования и допускающих применение реального транзистора (т.е. идеи натурного моделирования) в качестве основы построения компактной модели МОП-транзистора.
Сама идея применения реального транзистора для моделирования ИС была высказана автором совместно с В.П.Поповым и Н.И.Мережиным достаточно давно [32], однако ряд крупных научных проблем, таких как регулировка параметров, моделирование динамики, разработка аппаратного обеспечения и методологии моделирования оставались нерешенными до настоящего времени.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертации является повышение достоверности моделирования СБИС путем уменьшения числа параметров, объема программного кода и числа упрощающих допущений, принимаемых при построении компактной модели МОП-транзистора. Повышение достоверности моделирования является крупной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.
Для достижения поставленной цели необходимо разработать:
принципы регулировки параметров полунатурной* модели МОП-транзистора, которые обеспечивают настройку модели на любой транзистор СБИС и учитывают технологический разброс параметров;
метод идентификации параметров модели;
методы моделирования динамических процессов с использованием полунатурной модели, нечувствительные к погрешности средств измерений;
устойчивые схемы сшивания полунатурной модели МОП-транзистора с моделью СБИС;
методы синтеза специализированного аппаратного обеспечения для полунатурного моделирования и измерения характеристик МОП-транзисторов;
Полунатурная модель - содержащая одновременно натуру (реальный транзистор) и математические описания.
архитектуру системы схемотехнического моделирования СБИС и методо
логию моделирования на основе полунатурной модели.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов
В работе использованы методы исследования следующих научных дисциплин:
физика полупроводниковых приборов;
теория подобия и моделирования;
полупроводниковая схемотехника;
функциональный анализ;
теория автоматического управления.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена систематическим обоснованием и доказательством основных теоретических положений, а также большим объемом численных и натурных экспериментов, для выполнения которых было разработано специализированное аппаратное и программное обеспечение.
На защиту выносятся:
1) Полунатурная модель МОП-транзистора:
способ регулировки длины и ширины канала;
способ регулировки параметров МОП-транзистора, позволяющий учесть их технологический разброс и выполнить статистическое моделирование СБИС;
алгоритм идентификации параметров по результатам мониторинга технологического процесса;
метод моделирования динамических процессов в транзисторе при использовании полунатурной модели.
-
Метод синтеза полунатурных моделей полупроводниковых приборов.
-
Методы моделирования СБИС с применением декомпозиции и сшивания подсхем при использовании полунатурной модели МОП-транзистора:
набор новых сшивающих многополюсников для ускорения сходимости процесса сшивания полунатурной модели МОП-транзистора с моделью СБИС;
метод обратного динамического оператора для сшивания полунатурной модели МОП-транзистора с моделью СБИС;
адаптивный сшивающий многополюсник с перестраиваемой структурой.
4) Принципы построения и использования аппаратного обеспечения систе
мы моделирования:
архитектура системы схемотехнического моделирования СБИС;
новые схемотехнические решения для аппаратного обеспечения системы
моделирования.
5) Методология эффективного применения полунатурного моделирования при проектировании СБИС.
Научная новизна
Следующие научные результаты получены в работе впервые:
полунатурная модель МОП-транзистора, использующая гибрид математической модели и реального транзистора, применимая в составе современных программ схемотехнического моделирования и отличающаяся тем, что допускает регулировку длины и ширины канала, а также параметров, позволяющих учесть технологический разброс электрических параметров транзисторов СБИС;
метод идентификации параметров модели по результатам стандартного мониторинга техпроцесса (без измерения вольтамперных характеристик транзисторов, как это необходимо в известных методах идентификации);
метод моделирования динамических процессов в СБИС с применением одновременно как математических, так и полунатурных моделей, не требующий дифференцирования данных, содержащих шумы, как это необходимо при прямом методе моделирования, использующем матрицу Якоби;
метод синтеза полунатурных моделей полупроводниковых приборов;
доказана сходимость и аппроксимация электрической цепи СБИС итерационной схемой при наличии погрешностей измерений;
архитектура системы схемотехнического моделирования СБИС с применением полунатурной модели;
методология моделирования СБИС с применением полунатурной модели.
Практическая полезность
В результате работы решена крупная научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение, а именно, разработан новый метод моделирования СБИС, предназначенный для применения в системах автоматизированного проектирования СБИС и позволяющий на порядок уменьшить число параметров модели, на два порядка - объем программного кода и существенно снизить число упрощающих допущений, что, в итоге, приводит к улучшению достоверности моделирования.
Внедрение результатов
Основные научные результаты диссертации (методы декомпозиции и сшивания подсхем для моделирования СБИС и принципы построения аппаратного обеспечения) использованы при выполнении НИР "Рабочая станция схемотехнического проектирования БИС". Разработанное в диссертации аппаратное
обеспечение системы моделирования (программируемый логический контроллер, модули аналогового ввода-вывода) внедрено в серийное производство и нашло применение на многих отечественных предприятиях: ФГУП НИИ "Субмикрон" (Зеленоград), Ижевский радиозавод (г. Ижевск), ЗАО НИИ "ЭПРО" (Санкт-Петербург) и др., а также в учебном процессе ТТИ ЮФУ.
Личный вклад соискателя
Все результаты работы, выносимые на защиту, получены соискателем самостоятельно. Без соавторов опубликовано 90 печатных работ по теме диссертации, включая две монографии.
С соавторами выполнена только работа по проектированию и изготовлению аппаратного обеспечения для постановки экспериментов [17-21, 12, 19, 47, 48, 51, 53, 60], результаты которой не являются результатами диссертационной работы.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы были апробированы на следующих конференциях и семинарах:
всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем». - Москва, И1111М РАН, 2008и2010г.г.;
конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям, секция «Интеллектуальные САПР» (Дивноморское, 1995, 2008, 2009 и 2010 г.г.;
международная научно-техническая конференция "Микроэлектроника и наноинженерия - 2008" - Москва, МИЭТ, 2008 г.;
международные конференции "Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе". IT+SE09. Украина, Ялта-Гурзуф, 1992, 1993, 1997, 2004, 2009, 2010 г.г.;
всероссийская конференция "САПР-92. Новые информационные технологии в науке, образовании, бизнесе". - Воронеж, 1992 г.;
международный семинар "Нелинейные цепи и системы", Москва, 1992 г.;
Всесоюзная конф. "Проблемы развития аппаратных и программных средств ВТ для машинного моделирования", 1987 г.
3rd International Design Automation Workshop, Moscow, Russian Chapter of ACM/SIGDA, July 19-20, 1993;
EURO-DAC'94 with EURO-VHDL'94, 1994, Grenoble, France. - IEEE Computer Society, 1994;
1998 Intern. Conf. on Modeling and Simulation of Microsystems, Semiconductors, Sensors and Actuators, April 6-8, 1998, Santa Clara, CA, USA;
18th IEEE International Conference on Control Applications. Part of 2009 IEEE Multi-conference on Systems and Control. Saint Petersburg, Russia, July 8-10, 2009.
Сведения о публикациях
Основные результаты работы опубликованы в двух монографиях, 30 статьях в российских журналах, рекомендованных ВАКом и в 10-ти зарубежных изданиях. Получено 20 авторских свидетельств на изобретения. Общее число публикаций по теме диссертации составляет 120 единиц.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы из 344 наименований. Объем диссертации составляет 349 страниц, число рисунков - 157.
