設(shè)計(jì)與驗(yàn)證復(fù)雜SoC中可綜合的模擬及射頻模型

設(shè)計(jì)用于SoC集成的復(fù)雜模擬及射頻模塊是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。本文介紹的采用基于性能指標(biāo)規(guī)格來優(yōu)化設(shè)計(jì)(如PLL或ADC等)的方法，可確保產(chǎn)生可制造性的魯棒性設(shè)計(jì)。通過這樣的設(shè)計(jì)，開發(fā)者能在保證成本效益和不超預(yù)算的前提下，高效、及時(shí)地將產(chǎn)品或器件推向市場(chǎng)。

對(duì)于當(dāng)今復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)設(shè)計(jì)，尤其是含有復(fù)雜模塊如PLL或ADC等的設(shè)計(jì)，利用綜合平臺(tái)設(shè)計(jì)者能獲得以下好處：1) 可根據(jù)性能規(guī)格來創(chuàng)建最優(yōu)的模塊設(shè)計(jì)；2) 可對(duì)性能與設(shè)計(jì)余量空間(如芯片面積與速度之間等)之間的折衷進(jìn)行評(píng)估；

當(dāng)使用者輸入性能指標(biāo)規(guī)格時(shí)，綜合平臺(tái)通過將電路公式表示為凸出的優(yōu)化問題，可同時(shí)對(duì)器件尺寸及布局布線綜合進(jìn)行優(yōu)化。這樣，對(duì)設(shè)計(jì)者的挑戰(zhàn)就只有通過合成來驗(yàn)證綜合過的設(shè)計(jì)是否正確，以及能否滿足所有工作條件下的預(yù)期性能需求，而不必對(duì)每一個(gè)實(shí)例都進(jìn)行詳盡的硅驗(yàn)證。

我們都清楚，在減少芯片體積并使功能最大及功耗最小方面，設(shè)計(jì)者面臨著巨大的壓力。因此，可靠性余量空間有所減小，這就使得魯棒性模擬及射頻IC的制造成為一項(xiàng)艱巨任務(wù)。以下幾種因素需要關(guān)注：

1. 電路性能主要取決于晶體管的行為；

制造過程中的很小改動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致電路性能的極大變化。在生產(chǎn)期間，改變技術(shù)參數(shù)可導(dǎo)致電路失敗。針對(duì)可制造性設(shè)計(jì)的目標(biāo)是以設(shè)計(jì)為中心，以至于多數(shù)被制造的電路能滿足性能規(guī)格，同時(shí)還能使面積開銷最小化。這就要求不同工藝下都需使用精確的晶體管模型。

2. 由于諸如快速開關(guān)數(shù)字電路等而產(chǎn)生的基底噪聲耦合，會(huì)極大地降低敏感模擬信號(hào)的質(zhì)量；

因此，設(shè)計(jì)者必須進(jìn)行仔細(xì)的版圖設(shè)計(jì)以減少器件錯(cuò)配及寄生效應(yīng)，這對(duì)確保正確的電路行為極為關(guān)鍵。不像數(shù)字電路，模擬電路要求設(shè)計(jì)者記住大量性能規(guī)格，因此對(duì)模擬模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)是一件非常耗時(shí)的工作。對(duì)于采用0.13微米及以下工藝的設(shè)計(jì)來說，必須滿足HCE、NBTI及STI應(yīng)力效應(yīng)以獲得最佳的模擬及射頻性能。在這些挑戰(zhàn)面前，旨在控制可靠性目標(biāo)的現(xiàn)有商業(yè)工具卻不精確。

如何驗(yàn)證魯棒性？

通過考慮各種會(huì)反向影響制造成品率及性能的因素并將其整合到綜合平臺(tái)中，設(shè)計(jì)者可實(shí)現(xiàn)魯棒性設(shè)計(jì)。

在描述電路行為及性能規(guī)格的相同公式中，設(shè)計(jì)者也可加入多種技術(shù)變量。如果邊界設(shè)計(jì)可行，則意味著只要設(shè)計(jì)處于可行性范圍內(nèi)，即無需對(duì)每一種新的實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

提高成品率的一項(xiàng)傳統(tǒng)策略是運(yùn)行多次Monte Carlo模擬，但Monte Carlo分析卻是一項(xiàng)保證成品率最優(yōu)化的艱苦工作。

Monte Carlo分析可創(chuàng)建一批具有容差元件的電路，并對(duì)電路性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)試。每一種電路都由多個(gè)元件(從與用戶定義容差及分布類型相匹配的大批元件中隨機(jī)選出)構(gòu)成。其結(jié)果是一條設(shè)計(jì)約束分布曲線。從此數(shù)據(jù)可分析出可靠性、成本及制造電路的能力。此概念是在優(yōu)化程序中使用多次Monte Carlo模擬。

環(huán)路的組成為：先由優(yōu)化器推薦一種候選電路，然后再由評(píng)估引擎對(duì)每一候選電路的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。如此循環(huán)反復(fù)，直至滿足規(guī)格指標(biāo)為止。此過程被稱為設(shè)計(jì)中心化方法，實(shí)際上只能用于后設(shè)計(jì)優(yōu)化。一些商用工具采用SPICE及一個(gè)或一組數(shù)值搜索引擎。優(yōu)化者(器)可以是：設(shè)計(jì)工程師；模擬退火法(Simulated annealing)；牛頓法(Newton's method)；或任何其他類型的經(jīng)典優(yōu)化方法。

不用說，Monte Carlo方法是一種CPU密集型的方法，實(shí)際上不可能用于超過數(shù)十個(gè)晶體管的電路設(shè)計(jì)中。更重要的是，該方法要求模擬電路設(shè)計(jì)者及優(yōu)化專家進(jìn)行以下工作，即：先由經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬設(shè)計(jì)者輸入SPICE架構(gòu)及測(cè)試基準(zhǔn)，然后再由優(yōu)化專家選擇步驟規(guī)模、搜索空間及搜索方法?？偠灾琈onte Carlo方法要求由專家來對(duì)資源進(jìn)行規(guī)劃，而且極為耗時(shí)，所有這些因素使得我們需要一種優(yōu)化成品率的新方法。

凸起優(yōu)化

模擬及射頻元件(如鎖相環(huán)及數(shù)據(jù)變換器等)的晶體管行為及性能指標(biāo)，都能用設(shè)計(jì)變量的多項(xiàng)式來表示。(見圖2)

如果設(shè)計(jì)者將其設(shè)計(jì)問題表示為幾何程序，則他能創(chuàng)建一種特殊類型的凸起優(yōu)化問題。最終解決方案完全獨(dú)立于起始點(diǎn)(甚至起始點(diǎn)不可行，且不可行指標(biāo)能被清楚地檢測(cè)到)。設(shè)計(jì)者能獲得非常有效的整體優(yōu)化法所帶來的好處，即使是很大的問題，他也能獲得迅速計(jì)算出來的結(jié)果。如果有這樣的解決方案，則保證程序能獲得收斂。事實(shí)上，這是一種能決定全局優(yōu)化設(shè)計(jì)的快速綜合方法。

通過改變變量并考慮相關(guān)函數(shù)中的標(biāo)記，幾何程序可用公式被重新表示為一種凸起優(yōu)化問題。在使用幾何程序?qū)﹄娐方r(shí)，設(shè)計(jì)空間被表現(xiàn)為一種凸起集，而凸起問題則具有特殊的性質(zhì)：它們的可行集就是凸起。

魯棒性模擬電路創(chuàng)建

正如我們所知，電參數(shù)(如晶體管增益等)中的統(tǒng)計(jì)變化是由制造工藝中的變化所致，并能影響電路的性能及成品率。通過保證制造及電路設(shè)計(jì)之間的緊密耦合，綜合平臺(tái)可產(chǎn)生出魯棒性設(shè)計(jì)。

這些工藝變化是由于隨機(jī)制造變化所致，且傳統(tǒng)上都被合并到工藝模型中。例如，在制造器件時(shí)，摻雜擴(kuò)散或沉積中的非一致性條件，可導(dǎo)致氧化厚度及擴(kuò)散深度的改變。氧化厚度及基板、聚合、植入及表面電荷中摻雜水平的變化等，都會(huì)對(duì)門限電壓值造成影響。照相平版印刷工藝中的分辨率可引起MOS晶體管中的W/L改變。而這些參數(shù)改變又會(huì)引起電參數(shù)(如表面電阻及門限電壓等)發(fā)生變化。

例如，用500 MHz統(tǒng)一增益帶寬來將運(yùn)放限制在一個(gè)特定功耗上。為滿足這一約束條件，可在多個(gè)工藝階段對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并且還能將電源電壓變化及諸如電阻變化這樣的因素包括在內(nèi)。表1列出了一些與工藝有關(guān)的指標(biāo)，這些指標(biāo)作為優(yōu)化程序的一部分被包括到綜合平臺(tái)中。

現(xiàn)在對(duì)表1中所列的參數(shù)進(jìn)行說明。電源電壓變化百分比可進(jìn)行設(shè)置，例如設(shè)為10%。在1.8 V電源上，優(yōu)化可保證所有指標(biāo)都能在1.62V及1.98V(亦即Vdd ± 10%)上達(dá)到。例如，當(dāng)功耗在1.98V上為最差情況時(shí)，飽和余量將在1.62V上為最差情況。如果任何片上電阻的百分比變化都為20%，則優(yōu)化可保證所有指標(biāo)都能在± 20%電阻值上達(dá)到。由于電阻可用于電壓參考及環(huán)路濾波電路中，并由此而對(duì)制造成品率產(chǎn)生很大影響，因此優(yōu)化時(shí)將考慮參考電流變化及其穩(wěn)定性余量。

在選擇魯棒設(shè)計(jì)的工藝階段時(shí)，應(yīng)按以下要求進(jìn)行：

?每一工藝階段都必須能保持每一項(xiàng)指標(biāo)，且報(bào)告指標(biāo)值為所選階段的最差值；

? 針對(duì)目標(biāo)的報(bào)告值在所有階段上都應(yīng)為最差值。

參數(shù)匹配

除不同晶圓批次之間的工藝變化外，模擬設(shè)計(jì)者們必須密切注意器件性能，因?yàn)橥恍酒系钠骷阅芤矔?huì)有變化。

晶體管及電路失配對(duì)模擬設(shè)計(jì)性能的極限有極大的影響。像數(shù)據(jù)變換器分辨率、運(yùn)放的CMRR及PSRR等典型性能參數(shù)，都取決于晶體管的匹配。這些匹配(或失配)效應(yīng)可嚴(yán)重地影響設(shè)計(jì)魯棒性。

設(shè)計(jì)者可利用晶體管門限電壓中的失配來計(jì)算設(shè)計(jì)中的噪聲成分。他既可將這種失配建模成面向特定晶體管的門限電壓及面向該工藝的額定門限電壓的變化，也可將這種失配建模成帶有與器件面積成反比偏差的隨機(jī)變量。他可將標(biāo)準(zhǔn)電流偏差建模成特定晶體管飽和電流Id,sat與該工藝中晶體管額定飽和電流Id,sat之間的一個(gè)百分比變化。由于制造過程中的隨機(jī)變化，位于差分對(duì)兩邊的晶體管將在門限電壓及飽和電流中表現(xiàn)為失配。

噪聲及電源變化

像噪聲及電源電壓變化這些因素，它們對(duì)模擬及射頻設(shè)計(jì)的影響比對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)的影響要大得多。例如，模擬設(shè)計(jì)中的增益及帶寬等一級(jí)參數(shù)能被很好地滿足。但由于有噪聲，因此像SNR這些指標(biāo)就不能很好地實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅必須能在噪聲環(huán)境下具有魯棒性，而且還應(yīng)能抵抗電源變化。為滿足這些約束條件，綜合平臺(tái)允許用戶針對(duì)任何環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。以下說明利用PLL中的累積電源抖動(dòng)(在Vdd上步進(jìn)10%)來抵抗電源電壓變化的例子。

當(dāng)加上這種步進(jìn)時(shí)，理想?yún)⒖?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘與輸出時(shí)鐘之間的瞬時(shí)相位誤差將開始累積。經(jīng)過一段時(shí)間之后，環(huán)路將作出反應(yīng)，并開始將這些信號(hào)驅(qū)動(dòng)回相位調(diào)整中。這項(xiàng)指標(biāo)代表電壓步進(jìn)后的最差瞬時(shí)相位誤差。為具有魯棒性，假設(shè)電壓步進(jìn)的上升時(shí)間遠(yuǎn)小于參考周期。事實(shí)上，任何一種片上電壓步進(jìn)都很可能具有短得多的上升及下降時(shí)間，因此能提供遠(yuǎn)優(yōu)于此項(xiàng)指標(biāo)的性能。

其實(shí)設(shè)計(jì)可能對(duì)一種噪聲比對(duì)另一種噪聲更加脆弱。解決方案是，用戶先對(duì)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估并確定出最大弱點(diǎn)，然后將約束設(shè)定為一個(gè)低值，再確定下一個(gè)最大弱點(diǎn)并將其設(shè)定到稍高一點(diǎn)的值。優(yōu)化程序試圖匹配所有約束條件，而將最重要約束設(shè)為最緊值且將最不重要約束設(shè)為寬松值，能使優(yōu)化程序最大限度地滿足設(shè)計(jì)要求

寄生

使用綜合平臺(tái)的設(shè)計(jì)者，通過將寄生效應(yīng)構(gòu)建到優(yōu)化模型中，還能在開始優(yōu)化時(shí)將所有寄生效應(yīng)包括在內(nèi)，并借此消除設(shè)計(jì)過程中的不確定因素。這些模型被構(gòu)建成能處理與器件及其互連有關(guān)的不必要的電阻、電容及電感效應(yīng)等信號(hào)完整性問題。設(shè)計(jì)者能對(duì)相鄰連線間互耦這樣的效應(yīng)進(jìn)行建模，如果這些因素影響到性能，則綜合平臺(tái)中的程序算法將把這些因素考慮到電路布局中。

布局布線

綜合平臺(tái)利用幾何程序來控制電路布局，以達(dá)到系統(tǒng)性能目標(biāo)。這些問題涉及到器件、模塊、底層規(guī)劃及布線等。為達(dá)到模擬及射頻電路所需的性能指標(biāo)，可考慮以下電路布局布線約束。

對(duì)稱約束：一個(gè)部件可被約束成以水平或垂直軸線為中心；兩個(gè)同樣大小的部件可被約束成相對(duì)軸線為鏡像。

鏡像節(jié)點(diǎn)：可圍繞軸線對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鏡像。

節(jié)點(diǎn)匹配：可將標(biāo)記(布局?jǐn)U展)增加到布線中，以使兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的水平及垂直金屬長(zhǎng)度整體上均衡。

對(duì)齊：兩個(gè)元件可被約束成互相沿頂部、底部、左或右對(duì)齊。

電容約束：這能通過彎曲布線長(zhǎng)度來限制布線與基底間的電容。

IR壓降約束：布線器將對(duì)電源軌道尺寸進(jìn)行規(guī)定，以將IR壓降值限制在指定的數(shù)值上。

對(duì)器件生成器中的另一個(gè)重要考慮是中間數(shù)字化，這能減少器件電容，并確保有對(duì)稱的電流方向、保護(hù)環(huán)(guard ring)及虛擬(dummy)結(jié)構(gòu)等。圖3顯示了為模擬或射頻設(shè)計(jì)所生成的器件例子。

如何驗(yàn)證模擬設(shè)計(jì)的魯棒性

Barcelona公司可保證對(duì)每一優(yōu)化實(shí)例的魯棒性驗(yàn)證都能通過使用驗(yàn)證金字塔來完成，并已將它應(yīng)用檢驗(yàn)0.18及0.13毫米綜合平臺(tái)上。正如我前面所提到的，利用這種驗(yàn)證金字塔使我們既能避免設(shè)置及運(yùn)行Monte Carlo模擬的艱辛，又能避免運(yùn)行多種硅制造工藝的昂貴。

我們的驗(yàn)證金字塔分為4層。第1層：我們先基于試驗(yàn)及試探法設(shè)計(jì)來選擇指標(biāo)規(guī)格。設(shè)計(jì)規(guī)格空間由主要指標(biāo)的無關(guān)聯(lián)掃描來覆蓋。在PLL的例子中，就是抖動(dòng)、功率及靜態(tài)相位誤差。我們將試探性標(biāo)準(zhǔn)用于考慮了各指標(biāo)相關(guān)性的柵格的定義。

我們進(jìn)行一系列優(yōu)化來使這一綜合平臺(tái)的功能合格。此過程包括將試驗(yàn)方案的數(shù)量從3個(gè)增加至49個(gè)。試驗(yàn)方案被定義成從1至7選擇工藝階段、將電源從其額定值上變化10%、將片上多晶硅電阻從其額定值上改變20%以及選擇三種VCO頻率等。

第2層：我們通過檢查可從SPICE仿真上提取的參數(shù)與從綜合平臺(tái)上預(yù)計(jì)的參數(shù)之間的相關(guān)性來從第1級(jí)上檢驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的精度及功能是否合格。

我們特別強(qiáng)調(diào)對(duì)模擬電路模塊進(jìn)行SPICE仿真。例如，對(duì)于VCO，我們同時(shí)在低及高頻上對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行仿真：功耗飽和余量、頻率范圍、kVCO增益、PSRR、(kVdd)。

第3層：我們期望能提供由綜合平臺(tái)預(yù)測(cè)的指標(biāo)規(guī)格與在宏觀層次上所提取仿真之間的相關(guān)性。

為保證指標(biāo)能準(zhǔn)備好用于制造，我們要求該綜合平臺(tái)能產(chǎn)生沒有版圖與原理圖誤差的GDSII數(shù)據(jù)。我們還要求不能違反任何半導(dǎo)體設(shè)計(jì)規(guī)則。

模擬設(shè)計(jì)中使性能下降或者甚至造成設(shè)計(jì)失敗的一個(gè)主要問題是寄生效應(yīng)。

第3層驗(yàn)證包括對(duì)自動(dòng)GDSII版圖的寄生預(yù)測(cè)。第2層指標(biāo)選擇是基于覆蓋頻率與低抖動(dòng)范圍、低功率PLL并針對(duì)相應(yīng)的頻率范圍和覆蓋以下應(yīng)用的硅樣片進(jìn)行，這些應(yīng)用包括：消費(fèi)多媒體、無線及有線通信、微處理器及ASIC。

第4層：綜合平臺(tái)驗(yàn)證的最后一步是硅確認(rèn)。這里的目標(biāo)是通過硅中的三項(xiàng)合格性驗(yàn)證來確認(rèn)第1層的嚴(yán)格及魯棒性。選擇第3層設(shè)計(jì)。表2及表3給出了在TSMC的 0.18 μm邏輯工藝上生產(chǎn)的兩種PLL的關(guān)鍵參數(shù)。顯示結(jié)果是針對(duì)最差情況下的工藝、電壓及溫度變化。大約在幾小時(shí)內(nèi)即可產(chǎn)生出GDSII版圖，且無需任何改動(dòng)即可直接提交給晶圓代工廠