提高數(shù)字設(shè)計(jì)寄生提取的精度

寄生參數(shù)提取在集成電路 （IC） 設(shè)計(jì)中是必不可少的，因?yàn)樗梢宰R(shí)別可能影響電路性能的意外電阻、電容和電感。這些寄生元件來自電路的布局和互連，會(huì)影響信號(hào)完整性、功耗和時(shí)序。隨著 IC 設(shè)計(jì)縮小到更小的節(jié)點(diǎn)，寄生效應(yīng)變得更加明顯，因此精確提取對(duì)于確保設(shè)計(jì)可靠性至關(guān)重要。通過對(duì)這些效應(yīng)進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整電路以保持性能，避免信號(hào)延遲或功率損耗等問題，并成功實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)收斂。

什么是寄生參數(shù)提取

在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中，寄生元件（如電阻、電容和電感）是集成電路 （IC） 物理制造過程中意外但不可避免的元件。這些元素是所用材料和制造過程復(fù)雜性的結(jié)果。雖然寄生元件不是原始設(shè)計(jì)的一部分，但它會(huì)顯著影響電路性能。例如，寄生電阻會(huì)導(dǎo)致電壓降和功率耗散增加，而寄生電容會(huì)導(dǎo)致相鄰導(dǎo)線之間的信號(hào)延遲、失真和串?dāng)_。此外，interconnect parasitic 會(huì)引入傳播延遲，從而影響 timing 和信號(hào)完整性，從而導(dǎo)致更高的功耗和更低的整體性能。

寄生參數(shù)提取是 IC 設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵過程，用于識(shí)別和模擬這些意外的寄生效應(yīng)，以確?？煽康男阅堋Ｔ?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/數(shù)字設(shè)計(jì)">數(shù)字設(shè)計(jì)中，寄生參數(shù)提取在很大程度上依賴于 LEF （Library Exchange Format） 和 DEF （Design Exchange Format） 等標(biāo)準(zhǔn)化格式，它們描述了設(shè)計(jì)的邏輯和物理方面（圖 1）。

圖 1.寄生參數(shù)是從有關(guān)設(shè)計(jì)的物理和邏輯信息中提取的。

寄生參數(shù)提取過程通常遵循以下關(guān)鍵步驟：

• 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：此步驟涉及組裝和對(duì)齊邏輯和物理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通常來自 LEF 和 DEF 文件。目的是確保每個(gè) logical component 都正確映射到 layout中的相應(yīng)物理位置，確保寄生 extraction 過程的準(zhǔn)確連接。

• 提?。涸谔崛∵^程中，從設(shè)計(jì)布局和技術(shù)數(shù)據(jù)中識(shí)別和捕獲寄生元件，例如電阻、電容和互連。這構(gòu)成了理解這些寄生元件如何影響電路整體性能的基礎(chǔ)。

• 歸約：提取寄生元后，使用分布式 RC 或集總元模型等模型對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。這些模型壓縮了寄生數(shù)據(jù)，使其更易于管理，同時(shí)仍能準(zhǔn)確反映寄生效應(yīng)以進(jìn)行仿真和分析。

• 驗(yàn)證：提取后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。這包括將寄生參數(shù)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)規(guī)范和仿真結(jié)果進(jìn)行比較，以確保其符合預(yù)期的電路性能，并符合必要的設(shè)計(jì)規(guī)則和簽核標(biāo)準(zhǔn)。

• 優(yōu)化：驗(yàn)證寄生效應(yīng)后，設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用各種優(yōu)化技術(shù)來減少它們對(duì)電路的負(fù)面影響。這可能包括優(yōu)化 routing paths、添加 buffers 或進(jìn)行其他調(diào)整，以提高性能、時(shí)序、功耗和信號(hào)完整性。

準(zhǔn)確的寄生參數(shù)提取對(duì)于成功的 IC 設(shè)計(jì)至關(guān)重要，尤其是在技術(shù)進(jìn)步和寄生效應(yīng)變得更加明顯的情況下。通過系統(tǒng)地建模、驗(yàn)證和優(yōu)化這些效應(yīng)，設(shè)計(jì)人員可以確保他們的電路在制造和最終生產(chǎn)期間可靠運(yùn)行并滿足所需的規(guī)格。

模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)流程

模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)流程是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中的兩種不同方法，每種方法都適合模擬和數(shù)字集成電路 （IC） 的特定要求。模擬設(shè)計(jì)涉及處理連續(xù)信號(hào)的電路，例如放大器、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。在這些電路中，精度對(duì)于降低噪聲、失真和功耗至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)包括平衡電源效率和降噪之間的權(quán)衡，需要手動(dòng)調(diào)整布局以避免因微小變化而導(dǎo)致的性能問題。SPICE 仿真器等工具有助于對(duì)不同條件下的電路行為進(jìn)行建模，以確?？煽啃院托阅?。模擬電路對(duì)其物理布局高度敏感，并在不同的工作條件下進(jìn)行了全面測(cè)試。

另一方面，數(shù)字設(shè)計(jì)側(cè)重于使用二進(jìn)制信號(hào)（0 和 1）的電路和組件，例如邏輯門、觸發(fā)器和各種類型的邏輯電路。數(shù)字設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮速度、能源效率和抗噪性，更多地依賴自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化組件來簡(jiǎn)化流程。Verilog 和 VHDL 等工具允許設(shè)計(jì)人員定義電路的行為，然后將其自動(dòng)綜合到布局中。數(shù)字工作流程利用時(shí)序分析、邏輯仿真和驗(yàn)證工具來確保電路正常運(yùn)行并滿足性能要求。雖然數(shù)字電路可能很復(fù)雜，但與模擬電路相比，它們的二進(jìn)制特性允許更直接的布局。

然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步和節(jié)點(diǎn)規(guī)模的縮小，模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)都面臨著新的挑戰(zhàn)。模擬設(shè)計(jì)必須處理增加的噪聲靈敏度和寄生效應(yīng)，而數(shù)字設(shè)計(jì)需要解決更高電路密度下的時(shí)序、功耗和信號(hào)完整性問題。盡管存在這些復(fù)雜性，但現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具和方法有助于確保 IC 滿足所需的性能、功耗和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。這兩種設(shè)計(jì)流程在 IC 開發(fā)中都發(fā)揮著關(guān)鍵的互補(bǔ)作用，模擬設(shè)計(jì)側(cè)重于精度和手動(dòng)調(diào)整，而數(shù)字設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化和效率。這兩個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員都必須在快速發(fā)展的技術(shù)環(huán)境中進(jìn)行復(fù)雜的權(quán)衡，以生產(chǎn)高性能、可靠的 IC。

寄生提取工具

用于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的寄生提取工具通常分為三大類：基于場(chǎng)求解器、基于規(guī)則的提取和模式匹配，每種工具都有自己的優(yōu)勢(shì)，適合不同的設(shè)計(jì)要求（圖 2）。

圖 2.用于寄生提取的軟件工具傳統(tǒng)上是場(chǎng)求解器或基于規(guī)則的工具。模式匹配是一種較新的技術(shù)。

場(chǎng)求解器?；趫?chǎng)求解器的方法使用數(shù)值技術(shù)來求解電磁場(chǎng)方程，例如麥克斯韋方程組，這使它們能夠高精度地對(duì)復(fù)雜的幾何形狀和互連進(jìn)行建模。這些方法在捕獲分布式寄生方面表現(xiàn)出色，這使得它們對(duì)于對(duì)電磁現(xiàn)象的詳細(xì)洞察至關(guān)重要的設(shè)計(jì)特別有用。這種精度對(duì)于高頻電路、射頻 （RF） 設(shè)計(jì)和其他需要深入了解寄生效應(yīng)以確保性能完整性的高級(jí)應(yīng)用至關(guān)重要。然而，場(chǎng)求解器方法的權(quán)衡是它們的計(jì)算強(qiáng)度。由于它們求解跨精細(xì)幾何細(xì)節(jié)的復(fù)雜數(shù)學(xué)方程，因此需要大量的計(jì)算資源和時(shí)間，尤其是在應(yīng)用于大規(guī)模設(shè)計(jì)時(shí)。這限制了它們?cè)谌粘９ぷ髁鞒讨械膹V泛使用，使它們主要用于需要最高準(zhǔn)確性的專業(yè)任務(wù)。

基于規(guī)則。相比之下，基于規(guī)則的提取工具根據(jù)預(yù)定義的模型和設(shè)計(jì)指南進(jìn)行作，這使它們能夠以更快、更可擴(kuò)展的方式估計(jì)寄生元素。這些工具依賴于從以前的模擬和物理定律中得出的既定規(guī)則，將它們應(yīng)用于整個(gè)設(shè)計(jì)布局以提取寄生效應(yīng)。盡管基于規(guī)則的方法可能無法捕獲與現(xiàn)場(chǎng)求解器相同水平的精細(xì)細(xì)節(jié)，但它們效率很高，可提供更快的提取時(shí)間，并且能夠處理更大、更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而不會(huì)占用大量計(jì)算資源。這使它們成為大多數(shù)數(shù)字和模擬 IC 設(shè)計(jì)工作流程的首選，在這些工作流程中，設(shè)計(jì)人員優(yōu)先考慮速度、精度和可擴(kuò)展性之間的平衡?；谝?guī)則的工具特別適合主流應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，精度的權(quán)衡是可以接受的，并且設(shè)計(jì)幾何形狀不像高頻或射頻電路那樣復(fù)雜或要求苛刻。這些工具也更加用戶友好，需要更少的設(shè)置和計(jì)算開銷，使它們可用于更廣泛的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

模式匹配通常被認(rèn)為是一種 2.5D 提取技術(shù)，通過識(shí)別設(shè)計(jì)中重復(fù)出現(xiàn)的布局模式來提供幫助。它使用特定幾何配置的預(yù)先表征寄生值來加快提取過程，而無需對(duì)每個(gè)實(shí)例執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算。圖案匹配提供了速度和精度之間的平衡，使其適用于涉及重復(fù)結(jié)構(gòu)的大規(guī)模設(shè)計(jì)，例如標(biāo)準(zhǔn)單元或重復(fù)電路塊。

選擇提取工具

不同寄生提取工具之間的決定取決于設(shè)計(jì)的具體需求。場(chǎng)求解器方法非常適合精度不影響的特殊應(yīng)用，例如射頻、微波和毫米波設(shè)計(jì)，或具有密集和復(fù)雜互連結(jié)構(gòu)的高級(jí)節(jié)點(diǎn)。基于規(guī)則的工具是主流設(shè)計(jì)流程的支柱，為大多數(shù)數(shù)字和模擬 IC 提供實(shí)用且可擴(kuò)展的解決方案。圖案匹配提供了靈活的中間解決方案，提高了重復(fù)結(jié)構(gòu)的提取效率。

設(shè)計(jì)人員必須評(píng)估其設(shè)計(jì)的性能、資源限制和復(fù)雜性，以選擇適當(dāng)?shù)姆椒?。在許多情況下，可以使用不同方法的組合：用于需要高精度的關(guān)鍵區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)求解器和基于規(guī)則的方法用于大部分設(shè)計(jì)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中提供效率和準(zhǔn)確性的最佳平衡，以及模式匹配以優(yōu)化重復(fù)設(shè)計(jì)模式的效率。

有一些工具，包括 Calibre xACT，它采用基于規(guī)則和場(chǎng)求解器的方法，并提供模式匹配。對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)人員來說，擁有一種高精度的工具來提取互連寄生效應(yīng)（如電阻和電容）對(duì)于了解IC性能至關(guān)重要。先進(jìn)的提取工具可以捕獲 IC 內(nèi)互連和器件之間的詳細(xì)交互，為優(yōu)化設(shè)計(jì)性能和解決信號(hào)完整性挑戰(zhàn)提供重要見解（圖 3）。

圖 3.數(shù)字提取流的輸入和輸出。

結(jié)論

高效的寄生提取對(duì)于通過精確建模電阻、電容和其他寄生元件來優(yōu)化 IC 性能至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員在提取工具方面有多種選擇，因此應(yīng)考慮支持模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)流程、能夠發(fā)現(xiàn)并減輕影響信號(hào)完整性、時(shí)序收斂和電源效率的寄生效應(yīng)，并且適用于所有設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的工具。精確的提取結(jié)果可幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程的早期做出明智的決策，確保穩(wěn)健可靠的 IC 開發(fā)。