ניתוח תכנון מוקדם של רשת אספקות המתח לרכיבי הסיליקון בתכנון “System On Chip”

מבוא
תיקוני Power Grid הקרובים לזמן סיום הפרוייקט יכולים לעכב משמעותית את סיומו המוצלח ולהגדיל (Time To Market).
הדרישה לעמידה בסטנדרטים של רעש רשת אספקות הרכיב ובדיקות אמינות, לא עולות בדרך כלל בקנה אחד עם זמני הפיתוח של צוות התכנון של ה-Design הפיזיקלי. הסיבה לכך היא קיומם של: קצרים, יחידות בלתי מחוברות, קבלי decoupling חסרים ובעיות חיבוריות אחרות, ועם זאת עדיין ישנה דרישה לנתח את רשת האספקות ולוודא שהיא מסוגלת לעמוד בדרישות התכנון. זהו סוג של אימות הנעשה בשלב האחרון של מחזור התכנון תוך ציפיה לקבל תכנון נקי לאחר LVS
ו-DRC.
במאמר זה יוצג ניתוח מוקדם של רשת האספקות המאפשר למתכנן ווריפיקציה ברמה גבוהה בשלב המוקדם של הפיתוח תוך מיקוד בפרמטרים המרכזיים של רשת האספקות שניתן לבדוק בשלב מוקדם. פרמטרים כגון: נקודות אספקה אידאליות , POWER GATES כמות ומיקום נדרשים, צפיפות מתכות אספקת המתח הנדרשים להשגת אמינות גבוהה IR (IR Drop) & EM (Electro Migration).
שימוש בגישה המוצעת ישפר ויאפשר תכנון אמין יותר
ל-Tapeout תוך הימנעות משינויים של הרגע האחרון.

גישת ניתוח מוקדם
ניתוח תכנון מוקדם יכול להתחיל ברגע שיש מושג ראשוני לגבי יחידות התכנון וצריכת חשמל ממוצעת. התהליך המוצע לשימוש הוא EX2IR של חברת אפאצ’י המספק פתרון תכנון רשת אספקות ובניית אב טיפוס המאפשר למתכנן להשתמש בקובץ טבלה בסיסי ולהכניס את המידע הנחוץ לסימולציה המוקדמת. הטבלה מעובדת ונוצרת סביבת סימולציה. אין צורך בנתוני תכנון סופיים, רק להעתיק את קבצי טכנולוגית היעד שהפיתוח משתמש בהם.
באיור 1 נראה את תזרים הסימולציה: טבלת מידע התכנון המוקדם נכתבת בקובץ Excel, יש צורך רק בקובץ אקסל כדי להתחיל, הקובץ נשמר כטקסט או csv פורמט מכלים כגון – Gnumeric או OpenOffice. לאחר מכן SCRIPT משמש ליצירת קבצי הרצת סביבת הווריפיקציה של (Power and Signal integrity simulator), השלב הסופי הוא הסימולציה עצמה.
בפועל סימולציית התכנון המוקדם המוצעת היא סימולצית Redhawk החוסכת למשתמש את הצורך בפקודות רבות לצורך יצירת התכנון המוקדם, הכנסת הנתונים נעשית באמצעות ממשק קובץ Excel.
איור 2 מראה דוגמא להכנסת נתונים כגון: טמפרטורת סימולציה, אספקות כוח, שכבות מתכת ויחידות DESIGN. התוצאה של הבדיקה המוצעת היא ניתוח מוקדם של תוצאות הסימולציה הסטטית. איור 3 הוא דוגמא לסימולציה כזו הכוללת דיגום של רשת האספקות, מיקום אספקות, מספר ומיקום POWER GATES. זמן ריצת סימולציה הוא בדרך כלל 1-3 דקות והמתכנן יכול להריץ תרחישים רבים כדי לקבל את תכנית ה-FLOOR PLAN הטובה והמתאימה ביותר.
איור 3א מציג SOC (מערכת על שבב), דוגמא המורכבת מחלקי DESIGN המופעלים תמיד בשילוב עם בלוקים ממותגים. בתכנון, חמישה ספקי כח שונים באריזת wirebond. איור 3ב מראה את ארכיטקטורת ה-POWER GATES שנבחרה לסימולציה וה-POWER GATES הממוקמים מסביב לבלוק, איורים 3ג, 3ד
ו-3ה הינם מפות IR של הסימולציה ואיור 3ו הוא מפת ה-EM Violations של תכנון
ה-SOC המוקדם.

דיגום רשת אספקת המתח
תהליך EX2IR נותן מענה לצרכים הבאים של הלקוחות:
1. תכנון רשת האספקות בשלבי התכנון המוקדמים.
2. אימות תוכניות ישום ה-POWER GATES, כמות ומיקום.
3. אימות תוכניות, מיקום וכמות אספקות המתח .
4. סימולציה מהירה ל-DESIGN גדול.
5. קלות שימוש והחזר גבוה על השקעה.
התהליך כולל בודק מתקדם לנתונים המוזנים המופעל לפני תחילת הסימולציה ומפסיק אם מתגלה שגיאה או כתיבה שאינה לפי הפורמט הנדרש.
איור 4 הוא דוגמא לדוח הבודק של סימולצית תכנון מוקדם, הדוח מנחה את המתכנן להשתמש בקבצי טכנולוגיית היעד שלו ומדווח על מידע מוזן מקובץ האקסל.
תהליך EX2IR כולל את כל ה-DESIGN INPUTS הנדרשים להרצת סימולציה. ניתן לעדכן קובץ טכנולוגיה על פי תהליך היעד בשימוש וניתן להגדיר קובץ טכנולוגיית LEF בכדי לשלוט בתהליך הכנסת ה-VIA האוטומטי. התהליך דואג לקישוריות וכך חוסך הרבה זמן בכתיבת נתוני התכנון המוקדם.
תהליך EX2IR תומך ב-DESIGN היררכי באופן מלא עם האפשרות לכתוב את היררכיית קבצי DEF ו-LEF של התכנון המוקדם.
הכנסת Mesh ,Ring & Via נתמכת עבור כל מתכת שהיא, מידות שונות נתמכות לרשתות אנכיות ואופקיות, תמיכה
בתת בלוקים עם אופציה ל-OFFSET מרשת האספקה ברמה העליונה, רוחב מתכת מוגדר בקובץ האקסל, אורינטצית מתכת יכולה להיקבע, מידות מתכת שונות עבור בלוקים שונים ומצבי הוספת vias, אפשרויות הכנסת נקודות אספקה אידיאליות הן מקיפות ותכנון שבב Flip chip ו-wirebond, הכנסת תאי IO ו-XY ישיר לציון נקודות אספקה אידיאליות נתמכים גם.
צריכת חשמל מוגדרת לכל היררכיות התכנון וצרכן זרם ניתן להוסיף לכל מתכת כדי לשקף את צריכת הזרם מרשת האספקות במיקום מסוים.
תמיכה ב-POWER GATES בפורמטי מיקום שונים, כפי שניתן לראות באיור 5. האפשרויות להוסיף POWER GATES הן: מסביב לבלוק, ברשת ובשורות.
קבוצה של מתגים נוצרת עם הוספת שורת Excel אחת, כל ה-DATA לסימולציה נוצרת עבור ניתוח סטטי, כל מתג ניתן להגדיר או לבטל להפעלת תרחישים שונים, קיימת שליטה על התנגדות המתג.
מניתוח מוקדם ל-signoff, תהליך ה-EX2IR תומך משלבי סימולציות מוקדמות ועד ל-signoff כאשר ניתן להוסיף לסימולצית הניתוח המוקדם שילוב של בלוקי P&R ו-GDSII מוכנים לשיפור התוצאות, ללא הדרישה של בסיס נתונים נקי מצוות פיתוח ה-BACKEND. איור 6 מציג שילוב של בלוקי תכנון מוקדמים עם ארבעה בלוקים P&R וזיכרון אחד.

מסקנות
באמצעות שימוש ב-EX2IR בשלבי התכנון המוקדמים משפרים TTM.
ניתן להגדיר דרישות צפיפות מתכות ואב טיפוס מוקדם בשלב הפיתוח ולהימנע מעיכובי Tapeout, התהליך המוצע תומך בכל הפרמטרים הדרושים לסימולציה סטטית רגילה ויכול לאפשר סיום בדקות במקום שעות, מיקום וכמות ספקים, מיקום וכמות POWER GATES ואיזו ארכיטקטורה. ניתן לדמות תרחישים רבים ולבחור את התרחיש עם הביצועים הטובים ביותר. התהליך גם מדווח על צפיפות המתכות בכל שכבה המשמשת להשוואת ה-IR Drop שהושג, כך ניתן לבדוק את יעילות רשת האספקות. במקרה של צורך בתרחישים שונים של אותו התכנון, תהליך EX2IR יכול לשמש בכדי לבצע שינויים בתכנון ולבדוק אם יעד התכנון הושג.