隨著納米幾何尺寸的生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)量的增加，信號(hào)完整性（SI）已從一些前沿設(shè)計(jì)師的關(guān)注發(fā)展成為一個(gè)普遍的噩夢(mèng)適合所有設(shè)計(jì)師。

雖然已經(jīng)發(fā)展了幾種方法來(lái)解決這些SI挑戰(zhàn)，但是在130納米以下的幾何形狀中，意外電氣效應(yīng)和迅速增長(zhǎng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性的匯合導(dǎo)致了指數(shù)SI報(bào)告的違規(guī)行為。因此，設(shè)計(jì)受到延長(zhǎng)的設(shè)計(jì)時(shí)間表的影響，并且通常會(huì)錯(cuò)過(guò)市場(chǎng)窗口。

延長(zhǎng)130納米以下設(shè)計(jì)周期的一個(gè)關(guān)鍵因素不僅是噪聲靈敏度的提高，而且還有一些SI閉包方法中存在的過(guò)度悲觀情緒，特別是SI分析引擎。雖然需要合理的余量來(lái)構(gòu)建必要的保護(hù)帶以幫助設(shè)計(jì)人員充滿(mǎn)信心，過(guò)度的悲觀情緒會(huì)大大增加設(shè)計(jì)周期并導(dǎo)致過(guò)度設(shè)計(jì)。

過(guò)度設(shè)計(jì)通常會(huì)導(dǎo)致?lián)矶略黾?，從而影響產(chǎn)量，增加功率，包括泄漏和＃151; 90納米及以下設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。

這種過(guò)度悲觀主義大部分來(lái)自用于估算SI的基礎(chǔ)模型以及用于簡(jiǎn)化分析過(guò)程的一些權(quán)衡。然而，通常，由于過(guò)度修復(fù)和過(guò)度約束設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，分析中的快捷方式導(dǎo)致更多的設(shè)計(jì)迭代。因此，在選擇SI閉包或分析解決方案時(shí)，應(yīng)特別注意確保對(duì)錯(cuò)誤違規(guī)進(jìn)行充分過(guò)濾。

2Noise-glitch假失敗過(guò)濾

SI分析將確定由于切換相鄰攻擊者網(wǎng)絡(luò)而在給定受害者網(wǎng)絡(luò)上可能發(fā)生的最壞情況故障。在毛刺分析期間，有許多技術(shù)可用于過(guò)濾悲觀情緒，例如使用邏輯關(guān)系和時(shí)序窗口來(lái)確定可以同時(shí)切換的攻擊者網(wǎng)絡(luò)集。

這種類(lèi)型的過(guò)濾通常會(huì)將毛刺違規(guī)次數(shù)減少兩到三倍。下一級(jí)過(guò)濾確定計(jì)算的故障是否可能導(dǎo)致功能違規(guī)。

最基本的毛刺檢查是根據(jù)預(yù)定義的閾值電壓（電源的40％）檢查毛刺的高度。這種方法通常會(huì)產(chǎn)生數(shù)以千計(jì)的違規(guī)行為，其中絕大多數(shù)都是錯(cuò)誤的（見(jiàn)圖1）。

這是因?yàn)镃MOS邏輯門(mén)充當(dāng)?shù)屯?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器，因此大多數(shù)噪聲毛刺被接收邏輯門(mén)衰減。如果噪聲在到達(dá)存儲(chǔ)元件（如觸發(fā)器或鎖存器）之前被抑制，則不會(huì)導(dǎo)致功能問(wèn)題。

圖1＆＃151 ;基本噪聲干擾濾波

第二級(jí)故障濾波超出了簡(jiǎn)單的噪聲峰值閾值濾波。它是基于單元的拒絕，依賴(lài)于毛刺在通過(guò)一個(gè)邏輯階段傳播時(shí)的行為方式?；趩卧木芙^確定接收器輸入處的噪聲是否會(huì)傳播到輸出。

檢查細(xì)胞排斥有兩種方法。一種是使用預(yù)先表征的拒絕曲線，另一種是利用相關(guān)的寄生效應(yīng)對(duì)接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，以了解它在存在計(jì)算的噪聲時(shí)的行為。

后一種方法更加真實(shí)，并且會(huì)過(guò)濾更多違規(guī)行為，因?yàn)榍耙环N方法必須使用毛刺的悲觀近似作為等腰三角形。然而，雖然基于單元的拒絕通常會(huì)比輸入峰值檢查減少5-10倍的噪聲干擾，但這種方法在低于90納米的幾何尺寸下耗盡了蒸汽，并且仍然報(bào)告了許多不一定構(gòu)成任何問(wèn)題的悲觀故障。設(shè)計(jì)問(wèn)題（見(jiàn)圖1）。

3高級(jí)毛刺濾波

噪聲傳播擴(kuò)展了基于單步的基于單元的抑制方法，并在多個(gè)邏輯門(mén)之間傳播SI毛刺以注冊(cè)端點(diǎn)。允許這些毛刺與沿路徑的其他串?dāng)_引起的毛刺相結(jié)合。

實(shí)際上，只有那些大到足以導(dǎo)致順序元件（鎖存器/觸發(fā)器）發(fā)生功能故障的毛刺才會(huì)被標(biāo)記。幾個(gè)真實(shí)的客戶(hù)設(shè)計(jì)已經(jīng)證明，使用噪聲傳播與基于單元的抑制相比，報(bào)告的SI毛刺數(shù)量顯著減少，通常為一個(gè)或兩個(gè)數(shù)量級(jí)（參見(jiàn)圖2）。

圖2 - 噪聲傳播和毛刺悲觀減少

噪聲傳播通過(guò)邏輯門(mén)傳播毛刺并檢查確保功能有效性寄存器不是不穩(wěn)定的。與傳統(tǒng)方法相比，噪聲傳播到寄存器端點(diǎn)可將誤判數(shù)量減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

噪聲傳播最好通過(guò)即時(shí)晶體管級(jí)仿真實(shí)現(xiàn)，而不是通過(guò)預(yù)先表征傳播表。傳播表不能準(zhǔn)確地考慮噪聲源的組合，例如在多個(gè)輸入處具有毛刺的單元，或傳播噪聲，電源噪聲（IR降或接地反彈）和串?dāng)_的組合。

當(dāng)毛刺通過(guò)接收器傳播時(shí)，它會(huì)動(dòng)態(tài)降低接收器的保持強(qiáng)度，使其對(duì)輸出端的串?dāng)_更加敏感。此外，傳播表的表征是繁瑣的，通常需要數(shù)周時(shí)間來(lái)創(chuàng)建必要的數(shù)據(jù)以涵蓋所有可能的輸入毛刺場(chǎng)景。

4SI延遲減少悲觀

雖然邏輯和時(shí)序窗口的使用將減少SI延遲計(jì)算的悲觀性，但由于SI而具有幾納秒的額外負(fù)余量并不罕見(jiàn)。因此，在存在SI的情況下關(guān)閉時(shí)間是非常具有挑戰(zhàn)性的。很多SI延遲悲觀主義是由于悲觀的時(shí)序窗口迭代，噪聲轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換）的表示和傳播，以及攻擊者和受害者網(wǎng)絡(luò)的對(duì)齊方式。

5定時(shí)窗口迭代

由于SI延遲變化取決于時(shí)序窗口，時(shí)序窗口取決于SI，因此精確分析需要在SI延遲計(jì)算和靜態(tài)時(shí)序分析之間進(jìn)行迭代。加速SI分析的一種常用技術(shù)是首先計(jì)算SI延遲效應(yīng)（忽略時(shí)序窗口），然后僅在關(guān)鍵路徑上進(jìn)行迭代。然而，這種加速會(huì)增加悲觀情緒，因?yàn)榉顷P(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間窗和時(shí)滯會(huì)被高估。因此，非關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)攻擊關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的影響也將是悲觀的，并導(dǎo)致過(guò)度的延遲變化。

更好的方法是從標(biāo)稱(chēng)時(shí)序窗口開(kāi)始，對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行快速迭代，逐步重新計(jì)算時(shí)序窗口發(fā)生變化的網(wǎng)絡(luò)。這樣，用于最終SI延遲變化計(jì)算的所有網(wǎng)絡(luò)都使用實(shí)際的時(shí)序窗口和轉(zhuǎn)換。

6SI轉(zhuǎn)換傳播

大多數(shù)時(shí)序和SI分析儀使用線性斜坡來(lái)模擬轉(zhuǎn)換，但這對(duì)于具有顛簸非線性轉(zhuǎn)換的噪聲網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)很好的近似。線性斜坡往往更加悲觀，特別是如果它們以相同的方式測(cè)量轉(zhuǎn)換，以用于噪聲和非噪聲轉(zhuǎn)換。使用傳統(tǒng)測(cè)量（例如20-80％的電源）將極大地高估噪聲轉(zhuǎn)換對(duì)下游邏輯路徑的影響。

例如，在圖3中，攻擊者A1定時(shí)在受害者切換為高電平的同時(shí)切換為低電平，從而導(dǎo)致SI引起的路徑延遲增加。由此產(chǎn)生的紅色凹凸上升波形很難用線性回轉(zhuǎn)模型精確建模。

如果轉(zhuǎn)換閾值是Vdd的20-80％，則會(huì)報(bào)告大的轉(zhuǎn)換退化，導(dǎo)致下游路徑上出現(xiàn)相當(dāng)大的延遲悲觀。所需要的是SI延遲方法，其準(zhǔn)確地考慮接收器輸出的有效轉(zhuǎn)換影響。

圖3＆＃151;由于線性回轉(zhuǎn)造型不足造成的悲觀情緒

另一個(gè)錯(cuò)誤來(lái)源是受害者網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)模型。通常，驅(qū)動(dòng)程序使用2D表進(jìn)行建模，其中表具有一組輸入轉(zhuǎn)換和輸出負(fù)載。

但是，將開(kāi)關(guān)波形映射到相應(yīng)的轉(zhuǎn)換值是“多對(duì)一”映射。換句話說(shuō)，可能存在具有相同轉(zhuǎn)換值的許多不同波形。受串?dāng)_影響的開(kāi)關(guān)波形恰好存在這種情況，導(dǎo)致不準(zhǔn)確的串?dāng)_路徑延遲。為了精確地模擬這樣的波形，基于電流源需要更精確的驅(qū)動(dòng)器模型，或者在非線性波形的情況下，基于驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際晶體管。如圖4所示，基于電流的延遲模型獨(dú)立于特征化的“良好表現(xiàn)”的轉(zhuǎn)換值，有助于消除傳統(tǒng)延遲表的不準(zhǔn)確性。給定任意輸入波形，它可以精確計(jì)算接收器門(mén)輸出的延遲。

圖4＆＃151;延遲測(cè)量和基于電流的延遲模型

接收器輸入和輸出的轉(zhuǎn)換和延遲的精確計(jì)算可以通過(guò)基于電流的延遲模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模型將輸出電流表征為輸入和輸出電壓以及內(nèi)部電容的函數(shù)，包括米勒電容。

攻擊者的位置

受害者的延遲根據(jù)攻擊者的相對(duì)切換時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)發(fā)生很大變化。 SI延遲分析將確定對(duì)齊攻擊者所造成的最壞情況延遲變化，同時(shí)尊重受害者和攻擊者時(shí)間窗口施加的約束。

然而，這種方法存在兩種悲觀來(lái)源。首先，最壞情況的攻擊者/受害者對(duì)齊可能發(fā)生在受害者的時(shí)間窗口的中間，因此可能不會(huì)改變其前沿或后沿到達(dá)時(shí)間。其次，受害者網(wǎng)絡(luò)的最壞情況延遲可能是由于過(guò)渡后沿的噪聲而發(fā)生的 - 太遲而無(wú)法影響接收門(mén)。

為了解決第一個(gè)悲觀來(lái)源，攻擊者對(duì)齊應(yīng)該找到最大化受害者時(shí)間窗口擴(kuò)展的，同時(shí)應(yīng)該拒絕其他對(duì)齊。即使是那些產(chǎn)生較大延遲但對(duì)時(shí)序窗口影響較小的那些。

為了解決悲觀的第二個(gè)來(lái)源，應(yīng)在接收器輸出而不是輸入端進(jìn)行SI延遲測(cè)量，以確保攻擊者的對(duì)齊確實(shí)會(huì)對(duì)下游邏輯產(chǎn)生最大的影響。這種稱(chēng)為基于路徑的對(duì)齊（見(jiàn)圖5）的技術(shù)消除了局部的基于網(wǎng)絡(luò)的最壞情況結(jié)果（局部最大值），而是提供了考慮下游路徑的全局最壞情況結(jié)果（全局最大值） ）。

圖5＆＃151;基于路徑的對(duì)齊和SI延遲悲觀減少

如圖5中的情節(jié)A所示，傳統(tǒng)對(duì)齊會(huì)在接收器輸入的波形尾部產(chǎn)生噪聲沖擊（紅色），但是這對(duì)接收器輸出波形（藍(lán)色）沒(méi)有影響。然而，線性回轉(zhuǎn)模型將接收器輸入波形解釋為點(diǎn)紅色波形，這導(dǎo)致悲觀接收器輸出點(diǎn)藍(lán)色波形。

在圖B中，基于路徑的對(duì)齊導(dǎo)致最壞情況的接收器輸出波形（藍(lán)色），這是由受害者網(wǎng)絡(luò)上更早的攻擊者對(duì)齊引起的。請(qǐng)注意，接收器輸出波形中沒(méi)有可感知的壓擺性能下降。最終結(jié)果是線性回轉(zhuǎn)模型的路徑延遲悲觀減少了700ps。

基于路徑的對(duì)齊已經(jīng)證明，在幾種工業(yè)設(shè)計(jì)中，SI對(duì)延遲的不良悲觀情緒顯著減少（見(jiàn)表1）。

表1＆＃151;基于路徑的對(duì)齊悲觀減少結(jié)果

表1比較了三種130nm設(shè)計(jì)中基于路徑的對(duì)齊與最差情況下基于網(wǎng)絡(luò)的對(duì)齊的使用。當(dāng)使用基于路徑的對(duì)齊時(shí)，最壞情況下的負(fù)松弛顯著減少，使得更容易實(shí)現(xiàn)SI閉合。

基于路徑的對(duì)齊的另一個(gè)好處是它能夠利用接收器的固有濾波，以便在明確定義的平滑接收器輸出上執(zhí)行轉(zhuǎn)換和延遲測(cè)量。即使對(duì)于毛刺幅度大于電源電壓一半的非常崎嶇的波形也是如此。因此，接收器輸出上的壓擺測(cè)量也不那么悲觀。非常重要，因?yàn)樗绊懴乱粋€(gè)邏輯階段的延遲。

8結(jié)論

隨著工藝技術(shù)的縮小，潛在的SI問(wèn)題的數(shù)量非線性增加。這使得設(shè)計(jì)閉合幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，除非工程師采用使用先進(jìn)濾波技術(shù)（如噪聲傳播和基于路徑的對(duì)齊）的精確SI分析。這些技術(shù)將使設(shè)計(jì)人員能夠處理少數(shù)真實(shí)的SI違規(guī)行為，按時(shí)完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目并按時(shí)交付。

期待65納米工藝及以下工藝將需要在減少SI分析悲觀主義方面取得進(jìn)一步進(jìn)展。特別是，需要基于統(tǒng)計(jì)和概率的技術(shù)來(lái)逼真地處理片上工藝變化，并且沿著長(zhǎng)關(guān)鍵路徑的最壞情況SI延遲的不可能累積增加。

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