這一期我們來討論一些名詞，就是標(biāo)題里滿滿當(dāng)當(dāng)?shù)挠⑽膯卧~。當(dāng)然，其中最核心也是最基本的，就是OCV。什么是OCV？它又有什么含義呢？或許后端的朋友們對(duì)它相對(duì)熟悉些。

某種意義上來說，芯片很脆弱。在生產(chǎn)中，外界環(huán)境的各種變化，比如PVT，都可能會(huì)使芯片產(chǎn)生不同的誤差，從而導(dǎo)致同一晶圓上不同區(qū)域上的芯片里的晶體管速度變快或變慢，從而產(chǎn)生corner的概念。

由于這些偏差的存在，不同晶圓之間，同一晶圓的不同芯片之間，同一芯片的不同區(qū)域之間，情況都是不相同的。造成這些差異的因素有很多種，這些因素造成的不同主要體現(xiàn)：

1，IR Drop造成局部不同的供電的差異；

2，晶體管閾值電壓的差異；

3，晶體管溝道長(zhǎng)度的差異；

4，局部熱點(diǎn)形成的溫度系數(shù)的差異；

5，互連線不同引起的電阻電容的差異。

而OCV就可以描述PVT在單個(gè)芯片所造成的影響，我們?cè)跁r(shí)序分析時(shí)引入derate參數(shù)模擬OCV效應(yīng)，其通過改變時(shí)延遲的早晚來影響設(shè)計(jì)。

在了解OCV和它的演進(jìn)歷程之前，我們不妨多了解些概念，可以有助于我們更全面地去理解它。

工藝角（Process?Corner）

與雙極晶體管不同，在不同的晶片之間以及在不同的批次之間，MOSFETs 參數(shù)變化很大。為了在一定程度上減輕電路設(shè)計(jì)任務(wù)的困難，工藝工程師們要保證器件的性能在某個(gè)范圍內(nèi)。如果超過這個(gè)范圍，就將這顆IC報(bào)廢了，通過這種方式來保證IC的良率。

傳統(tǒng)上，提供給設(shè)計(jì)師的性能范圍只適用于數(shù)字電路并以“工藝角”（Process Corners）的形式給出。其思想是：把NMOS和PMOS晶體管的速度波動(dòng)范圍限制在由四個(gè)角所確定的矩形內(nèi)。這四個(gè)角分別是：快NFET和快PFET，慢NFET和慢PFET，快NFET和慢PFET，慢NFET和快PFET。

例如，具有較薄的柵氧、較低閾值電壓的晶體管，就落在快角附近。從晶片中提取與每一個(gè)角相對(duì)應(yīng)的器件模型時(shí)，片上NMOS和PMOS的測(cè)試結(jié)構(gòu)顯示出不同的門延遲，而這些角的實(shí)際選取是為了得到可接受的成品率。因此，只有滿足這些性能的指標(biāo)的晶片才認(rèn)為是合格的。在各種工藝角和極限溫度條件下對(duì)電路進(jìn)行仿真是決定成品率的基礎(chǔ)。

工藝角分析，corner analysis，一般有五種情況：

fast nmos and fast pmos（ff）

slow nmos and slow pmos（ss）

slow nmos and fast pmos（sf）

fast nmos and slow pmos（fs）

typical nmos and typical pmos（tt）

t,代表typical(平均值)

s,代表slow（電流?。?/p>

f,代表fast（電流大）

PVT(process,voltage,temperature)

設(shè)計(jì)除了要滿足上述5個(gè)corner外，還需要滿足電壓與溫度等條件,形成的組合稱為PVT(process,voltage,temperature) 條件。

設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)師還常考慮找到最好最壞情況，時(shí)序分析中將最好的條件(Best Case)定義為速度最快的情況, 而最壞的條件(Worst Case)則相反。

根據(jù)不同的仿真需要，會(huì)有不同的PVT組合。以下列舉幾種標(biāo)準(zhǔn)STA分析條件：

WCS(Worst Case Slow):slow process,high temperature,lowest voltage

TYP(typical):typical process,nominal temperature,nominal voltage

BCF(Best Case Fast):fast process,lowest temperature,high voltage

WCL (Worst Case @ Cold):slow process, lowest temperature, lowest voltage

在進(jìn)行功耗分析時(shí)，可能是另外的一些組合，如：

ML(Maximal Leakage):fast process,high temperature,high voltage

TL(typical Leakage):typical process,high temperature,nominal voltage

三種STA(Static Timing Analysis)分析方法：

1，單一模式，用同一條件分析setup/hold；

2，BC_WC模式，用worst case計(jì)算setup，用best case計(jì)算hold；

3，OCV模式，計(jì)算setup 用計(jì)算worst case數(shù)據(jù)路徑，用best case計(jì)算時(shí)鐘路徑；計(jì)算hold 用best case計(jì)算數(shù)據(jù)路徑，用worst case計(jì)算時(shí)鐘路徑。

Tip：

BC-WC：即為best case corner和worst case corner，分別代表兩種不同的PVT環(huán)境。BC時(shí)，timing-arc的時(shí)間最短，WC時(shí)，timing-arc的時(shí)間最長(zhǎng)。

考慮到芯片運(yùn)行環(huán)境的變化，以及在芯片制作中難以克服的工藝原因造成的Die to Die的參數(shù)不同，在原來Single Mode中通過分析的芯片，在真實(shí)芯片運(yùn)行中，未必能完成所設(shè)定的功能。

考慮到single mode的粗糙性，在130nm以下的工藝中基本上已經(jīng)不用了。因此設(shè)計(jì)人員引進(jìn)了BC-WC（best corner-worst corner）分析模式。BC-WC模式下，工具會(huì)分析芯片所可能出現(xiàn)的最好和最壞的運(yùn)行情況，保證這兩種極端情況下芯片功能的完整性。

而OCV模式，AOCV模式，POCV模式等均是在不同PVT（不同corner）的基礎(chǔ)上添加derate。

什么是OCV

OCV，也就是On chip variation。

與corner同理，同一塊芯片上的晶體管也會(huì)有變快或者變慢的現(xiàn)象，因此產(chǎn)生了OCV的概念。

在設(shè)計(jì)中引入OCV的目的在于從設(shè)計(jì)角度考慮芯片在實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種差異(variation)，從而適度增加設(shè)計(jì)余量(margin)，減少不必要的設(shè)計(jì)悲觀量(pessimism)。

隨著芯片工藝的發(fā)展，對(duì)于STA的要求也越來越高，并且設(shè)計(jì)的復(fù)雜度不斷提升。傳統(tǒng)的WC-BC模式已無法準(zhǔn)確的反應(yīng)芯片的實(shí)際真實(shí)時(shí)序。OCV正是在這種情況下被提出并實(shí)際應(yīng)用到STA中。

OCV在path上設(shè)置統(tǒng)一的derate，悲觀度較高。derate數(shù)值是指對(duì)launch、capture、data line的cell或者net上添加一個(gè)比理想情況更為悲觀的倍數(shù)，比如針對(duì)setup，launch的derate統(tǒng)一設(shè)置為1.1，表示delay時(shí)間增加值原來的1.1倍，capture的derate統(tǒng)一設(shè)置為0.9，表示delay時(shí)間變?yōu)樵瓉淼?.9倍。從而使設(shè)計(jì)能夠覆蓋實(shí)際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的variation。針對(duì)common path，利用cppr將悲觀量移除。

Tip：

CPPR (Clock Reconvergence Pessimism Removal)，共同路徑悲觀去除

實(shí)現(xiàn)方式：

(1)運(yùn)用于主PVT庫(kù)對(duì)應(yīng)的微小差異PVT庫(kù)

(2)set_timing_derate命令設(shè)置全局derate值

Tip：

timing derate，我們可以稱為時(shí)序增減因子。在芯片的生產(chǎn)過程中，由于刻蝕、不同點(diǎn)的溫度、金屬不均勻、串?dāng)_、晶體管溝道長(zhǎng)度等影響因素，導(dǎo)致片上各個(gè)位置單元延遲不一樣。因此，我們需要一個(gè)縮放因子來讓設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格。

timing derate是計(jì)算OCV的一種簡(jiǎn)單方法，在某單一條件（BC-WC）下，把指定path的delay放大或者縮小一些，這個(gè)比率就是derate。

OCV中電壓的考慮

電壓需要分為電壓全局偏差，電壓局部偏差來理解。

同樣以ffg 0.88v來check hold為例。我們可以將0.88v作為全局電壓。在這個(gè)電壓下，device的速度最快。但是，由于對(duì)于clock的lauch，capture都采用的最快的device，并不能覆蓋所有的最差情況。

因此，在ocv中增加一部margin來覆蓋這一部分情況也就可以理解了。

OCV中溫度的考慮

溫度同樣可以劃分為全局溫度偏差，局部溫度偏差。全局溫度偏差，將在PVT中得以體現(xiàn)。由于溫度反轉(zhuǎn)的影響，僅采用極限溫度-40c，125c有時(shí)候并不能覆蓋全局溫度偏差中的最差情況。有時(shí)需要增加額外的溫度的corner。

而由于芯片內(nèi)部不同位置之間，由于device翻轉(zhuǎn)速率，電壓降等不同，導(dǎo)致局部相同的時(shí)序路徑中，溫度也有偏差。采用相同的溫度仍然不能覆蓋所有最差情況。

在進(jìn)行signoff時(shí)，需要增加ocv余量，覆蓋溫度局部偏差。

OCV分析

-OCV建立時(shí)間分析，暫不考慮CPPR

-OCV保持時(shí)間分析，暫不考慮CPPR

-timing derate

-CPPR

關(guān)于AOCV、POCV和LVF

什么是AOCV呢？

隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步以及芯片設(shè)計(jì)的日趨復(fù)雜化，傳統(tǒng)OCV約束方式已經(jīng)越來越不符合45nm及以下工藝的千萬(wàn)門級(jí)高速芯片設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)OCV在path上設(shè)置統(tǒng)一derate值的方法，AOCV更為科學(xué)與合理的根據(jù)path的實(shí)際情況加上不同的derate值。通過科學(xué)合理的方法降低了derate值的悲觀度。

在傳統(tǒng)OCV上引入了對(duì)路徑長(zhǎng)度和整個(gè)路徑在物理上所跨越的距離的考慮。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過對(duì)一條line中cell在不同的邏輯深度時(shí)的仿真，以及基于前后級(jí)在物理中不同距離來得到一個(gè)更精確的derate值來進(jìn)行時(shí)序分析，而不是OCV傳統(tǒng)的粗放式的統(tǒng)一的derate。

AOCV，即Advanced OCV。它在傳統(tǒng)OCV分析方法的基礎(chǔ)之上更進(jìn)一步，在傳統(tǒng)OCV上引入了對(duì)路徑長(zhǎng)度和整個(gè)路徑在物理上所跨越的距離的考慮。

隨著數(shù)據(jù)路徑的增長(zhǎng)，OCV效應(yīng)會(huì)減弱；隨著跨越距離的增加，OCV效應(yīng)又會(huì)增強(qiáng)。AOCV就是要通過考慮這些OCV效應(yīng)的變化從而避免過度悲觀的OCV分析。如何來有效 降低OCV的過度悲觀，是我們提高時(shí)序分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

因此設(shè)計(jì)人員想到了通過仿真以及結(jié)合芯片的實(shí)際物理情況，對(duì)每個(gè)cell給出更貼近實(shí)際情況的derate值，將能有效的幫助我們得到更準(zhǔn)確的時(shí)序分析。由此我們引入了AOCV分析模式，在AOCV中，我們將通過對(duì)cell在不同的邏輯深度時(shí)的仿真，以及基于前后級(jí)在物理中的不同距離來得到一個(gè)更精確的derate值來進(jìn)行時(shí)序分析，而不是傳統(tǒng)的粗放式的統(tǒng)一的derate。

AOCV derate table：

(1)path depth：基于cell在整條時(shí)序路徑中所處的深度或者級(jí)數(shù)來考慮derate

(2)path distance：基于路徑中cell或net跨越的物理距離來給出相應(yīng)的derate

也正是因?yàn)镺CV存在以下缺點(diǎn)：在實(shí)際中的variation，絕少是一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)值，而大概率是服從正態(tài)分布的。所以AOCV才應(yīng)運(yùn)而生。

既然有了AOCV，為什么要有POCV？

1，當(dāng)工藝進(jìn)化到14nm后，AOCV分析模式中動(dòng)態(tài)設(shè)置時(shí)序減免值的方法已經(jīng)不能滿足精度要求，其分析結(jié)果的悲觀型也無法很好地改變。

2，AOCV需要先分析邏輯深度和物理距離兩個(gè)因素，再設(shè)置時(shí)序減免值，導(dǎo)致CPU工作量巨大，時(shí)序分析計(jì)算時(shí)間增加。

3，時(shí)序優(yōu)化過程中增加或者刪除緩沖器會(huì)改變邏輯深度，然后又需要根據(jù)邏輯深度重新選擇時(shí)序減免值，重新時(shí)序計(jì)算，迭代次數(shù)和時(shí)間增加。

POCV (Parametric On Chip Variation)

POCV，又稱SOCV(Statistical On Chip Variation)，如下圖所示，POCV和AOCV一樣將delay模擬成一個(gè)正態(tài)分布。每個(gè)cell的delay最高概率出現(xiàn)在期望值u周圍，整體落在正負(fù)3倍標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)間內(nèi)的概率為99.7%。

以上介紹的時(shí)序分析方法就是POCV，也叫SOCV，全稱為Statistic OCV。這是一種比AOCV更加先進(jìn)的分析模式，它放棄了用最worst和最best的情況去標(biāo)記delay，取而代之的是M+nS和M-nS的值，因此timing的情況會(huì)比OCV以及AOCV更加樂觀。

至于LVF是什么呢

LVF，liberty variation format。是一種和liberty庫(kù)文件（.lib）有關(guān)的數(shù)據(jù)格式。

POCV的內(nèi)容可以集成到類似于liberty文件中，有助于時(shí)序分析。

審核編輯 ：李倩