（通信与信息系统专业论文）soc中的连线模型与面向布局布线的设计方法及时延功耗优化方法研究.pdf

蓟堑盔堂搜生焦逾塞 摘要 在以超深亚微米t 艺和i p 核复州技术为支撑的系统芯片( s o c ) 设计中连线设计变得越 来越重要。本文主要针对s o c 中的连线模型以及从连线设计角度对版图设计中的时延、功耗 以及设计方法进行研究。 深微米_ l 艺下连线时延是引起时序收敛问题的主要原冈，在芯片的设计初期就要考虑 连线设计对芯片性能的影响。为了能尽早地对连线时延进行分析和优化，提出了一种从库中 提取数据构建针对具体工艺、具体库的连线时延模型的方法。以u m c o 18 p r o - 1 ：艺下的v s t ( v i r t u a ls i l i c o nt e c h n o l o g y ) 库为例，在创建计算简单方便又非常精确的连线时延模型基础 上，采用加倒相器的时延优化技术可以获得比采用版图设计上具更佳的优化结果。由于s o c 芯片具有的规模大的特点，冈此要求采用层次式版图设计方法。在研究层次式版图设计技术 基础e ，提出了一个以连线设计为核心能实现时序收敛的s o c 设汁流程。此外，针对时序余 量较小的芯片，基丁展平式和层次式版图设计技术提出了一种有利丁时序收敛的区域约束式 版图设计方法。 论文具体章节安排如下： 第一章：从集成电路工艺和设计方法发展的角度出发，对s o c 设计的特点、设汁流程进 行了简述，着重分析了s o c 设计面临的挑战。然后，对连线性能随工艺发展的变化趋势进行 了讨论。最后，从合理分配金属资源、提高e d a 工具性能和采用新型系统结构的角度，对如 何解决全局连线中出现的时延问题进行了探讨。 第二章：提出了从库中提取数据建立门延模型和连线时延模型的方法。该方法能对特定 工艺下的库q ，的连线性能进行分析。针对时延急剧增加的长连线，分别以最优时延平u 最优时 延能量积为目标，提山了两种不同的优化方法，由此建立的连线优化模型不仅计算非常简单 方便，而且与工具的分析结果相当吻合。 第三章：在结合实际逻辑电路基础上，提出了跨模块的路径时延模型以及以最优路径时 延和最优路径时延能量积为目标的跨模块的路径优化方法。由于路径优化方法中采用的是引 入时延和功耗最小的倒相器作为中继器，与采用缓冲器作为中继器的版图设计工具相比可以 获得更好的优化结果。 第四章：在研究层次式版图设计技术基础上，提出了一个以连线设计为核心能实现时序 收敛的s o c 设计流群。在提出的流程中，为适应s o c 芯片规模大的要求，通过合理的物理层 次重构，将版图划分成模块级和芯片级两个层次，由此可以针对模块级的局部连线和芯片级 的全局连线的各白特点分别描述和优化。此外，在分析芯片的系统结构、模块的接口电路和 总线实现方式基础上，利i i j 提山的连线时延模型对全局连线时延进行估计米指导芯片的布局 规划利模块间的接1 ：3 电路设计，并采用白上而下的约束分配获取精确的模块级时序约束，从 而实现时序的快速收敛。最后，以a d t bc 信道解调解码芯片为例，对提山的设计流程进行 了验证。 第五章：在展平式和层次式版图设计基础上提山了一种基于区域约束的版图设计方法， 并开发了相应的设计流程。通过引入层次式设计中的布局规划设计步骤，将布局规划结果转 换成对模块的区域约束，使各模块约束在版图的特定区域内以提高逻辑综合阶段预估模块内 局部连线时延的准确性，同时通过白上而下的约束分配可以获取准确的模块级约束，模块间 的全局连线用版图设计工具优化，由此达到时序快速收敛的目的。布局规划时为了能更蚶地 设置区域约束，对线负载模型与模块大小、形状的关系进行了研究。最斤，仍以a d t b _ c 信 道解调解码芯片为例，在商用软件平台上对该设计方法及设计流程进行了验证。 最后是全文总结和j 二作展望。 关键词：系统芯片；连线设计；版图设汁；时序收敛；层次式设计；展平式设计 堑堑盔堂墟生焦盈塞 a b s t r a c t i n t e r c o n n e c t d e s i g n i s g a i n i n g m u c hi m p o r t a n c ei nt h es o ( 2 d e s i g n i nt h i st h e s i s t h e i n t e r c o n n e c tm o d e l i nt h es o c d e s i g n a n dt h ed e l a y , p o w e ra n dd e s i g nm e t h o df o rl a y o u td e s i g n a r ei n v e s t i g a t e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fi n t e r c o n n e c td e s i g n a st h ei n t e r c o n n e c td e l a yi st h em a i ne f f e c tc a u s i n gt h et i m i n gc o n v e r g e n c ep r o b l e m f ts h o u l d b ec o n s i d e r e da st oh o wt h ei n t e r c o n n e c td e l a ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h ec h i pa tt h ee a r l y d e s i g ns t a g e t oa n a l y z ea n do p t i m i z et h ei n t e r c o n n e c td e l a ya se a r l ya sp o s s i b l e ，an e wa p p r o a c hi s p r o p o s e df o rb u i l d i n ga ni n t e r c o n n e c td e l a ym o d e jf o ras p e c i f i cp r o c e s sa n das p e c i f i cl i b r a r y t h r o u g h t h ee x t r a c t i o no f d a t a f r o m t h e l i b r a r y u s i n g t h e v s t ( v i r t u a is i l i c o n t e c h n o l o g y ) l i b r a r y u n d e rt h e ，u m c 0 1 8 b mp r o c e s s as i m p l ea n da c c u r a t ei n t e r c o n n e c td e l a ym o d e l i sb u i l t d u r i n g t h eo p t i m i z a t i o np r o c e s s i r i v e r t e r sa r ei n s e r t e da sr e p e a t e r st h eo p t i m i z a t i o nr e s u l to fu s i n g i n v e n e r si sb e t t e rt h a nt h a to fu s i n gi a y o u td e s i g nt o o l s c o n s i d e r i n gt h ei a r g e - s c a l eo fs o c a l l i n t e r c o n n e c t - c e n t r i cd e s i g nf l o wf o rs o cw h i c hc a l la c h i e v et i m i n gc l o s u r ei sp r o p o s e db a s e do nt h e h i e r a r c h i c a ll a y o u td e s i g nt e c h n o l o g y ，m o r e o v e la1 a y o u td e s i g nm e t h o d w h i c hi sb a s e do i lr e g i o n c o n s t r a i n t sa n df a c i l i t a t e st i m i n gc l o s u r e i sp r o p o s e df o rc h i p sw i t hs m a l l e rt i m i n gs l a c kb y c o m b i n i n gt h ef l a t t e na n dh i e r a r c h i c a ld e s i g nt e c h n o l o g i e s t h eo r g a n i z a t i o no f t h ec h a p t e r si sa sf o l l o w s 1 nc h a p t e r1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s o c d e s i g na n dt h es o cd e s i g nf l o wa r ef i r s t l yj n t r o d u c e d f r o mt h ep e r s p e c t i v eo f t h ed e v e l o p m e n to f i cp r o c e s s e sa n dd e s i g nm e t h o d s w i 血e m p h a s i sp u t t i n g o nt h ec h a l l e n g e sf o rs o cd e s i g n t h e n t h et r e n do f w i r es c a l i n gi sd i s c u s s e d f i n a l l y , t h ep r o b l e m o nh o wt or e d u c et h ed e l a yo ft h eg l o b a li n t e r c o r m e c ti se x p l o r e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fp r o p e r l y a l l o c a t i n gm e t a lr e s o u r c e s e n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fe d at o o l s ，a n da d o p t i n gn e ws y s t e m a r c h i t e c t u r e s i nc h a p t e r2 a na p p r o a c hi sp r o p o s e df o rb u i l d i n gg a t ed e l a ym o d e la n di n t e r c o n n e c td e l a y m o d e ib ye x t r a c t i n gd a t af r o mt h es t a n d a r de e l i i i b r a r yt h ea p p r o a c hi ss u i t a b l ef o ra n a l y z i n gt h e p e r f o r m a n c eo fi n t e r c o n n e c t si nt h e1 i b r a r y , f o rl o n gi n t e r e o n n e c t sw i t hd r a m a t i c a l l yi n c r e a s i n g d e l a y , t w oo p t i m i z a t i o n m e t h o d sa r e p r o p o s e db yr e s p e c t i v e l ym i n i m i z i n gt h ed e l a ya n dt h e d e l a y e n e r g yp r o d u c t e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z a t i o nm o d e l s a r es i m p l et oe s t i m a t ea n d t h a tt h ee s t i m a t i o n sa r er a t h e rc o n s i s t e n tw i t ht h ea n a l y z i n gr e s u l t so f c a dt o o l s i oc h a p t e r3 ad e l a ym o d e if o rp a t h sa c r o s sm o d u l e si sp r o p o s e db a s e do i lp r a c t i c a ll o g i c a l c i r c u i t s a no p t i m i z a t i o nm e t h o df o rm i n i m i z i n gp a t hd e l a y sa n dp a t hd e l a y e n e r g yp r o d u c t si sa l s o p r o p o s e dc o m p a r e dw i t hi a y o u td e s i g nt o o l sw h i c hu s eb u f f e r sa sr e p e a t e r s t h i sa p p r o a c hc a n p r o d u c eb e r e ro p t i m i z a t i o nr e s u l t s a sj n v e r t e r sw i t hb o t hm i n i m a ld e l a ya n dm i n i m a lp o w e ra r e u s e da sr e p e a t e r s i nc h a p t e r4 a ni n t e r c o n n e c t - c e n t r i cd e s i g nf l o wf o fs o cw h i c hc a l la c h i e v et i m i n gc l o s u r ei s p r o p o s e db a s e do nt h eh i e r a r c h i c a il a y o u td e s i g nt e c h n o l o g y c o n s i d e r i n gt h el a r g e s c a l eo fs o c t h el a y o u tw a sd i v i d e di n t ot w oh i e r a r c h i e so fm o d u l e sa n dc h i p sb yp r o p e r l yr e c o n s t r u c t i n gt h e p h y s i c a lh i e r a r c h y t h e r e f o r e 1 0 e a li n 钯r c o u n e c t sa n dg l o b a l t l t e m o a n e c t sc a nb ed e s c d b e da n d o p t i m i z e dr e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , b ya n a l y z i n go n c h i ps y s t e ma r c h i t e c t u r e ，i n t e r f a c ec i r c u i t s o f m o d u l e sa n db u sr e a l i z a t i o n t h ed e l a yo ft h eg l o b a li n t e r c o n n e c t s ，w h i c hi se s t i m a t e db yu s i n gt h e p r o p o s e di n t e r c o n n e c td e l a ym o d e l i su s e da sag u i d ef o rt h ec h i pf l o o r p l a na n dt h ed e s i g no f j n t e r f a c ec i r c u i t so fm o d u l e s a n da c c u r a t et i m i n gc o n s t r a i n t so ft h em o d u l el e v e la r ea c q u i r e d t h r o u g ht o p d o w nc o n s t r a i n ta l l o c a t i o nt oa c h i e v ef a s tt i m i n gc l o s u r e ，e x p e r i m e n t so nd e s i g n i n ga n a d t bcc h i pd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e dd e s i g nm e t h o d ， i nc h a p t e r5 ，a1 a y o u td e s i g nm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nr e g i o nc o n s t r a i n t sa n df a c i l i t a t e s t i m i n gc l o s u r e ，i sp r o p o s e db yc o m b i n i n g t h ef l a n e na n dh i e r a r c h i c a ld e s i g nt e c h n o l o g i e s ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gd e s i g nf l o wi sd e v e l o p e d i no r d e rt oa c h i e v ef a s tt i m i n gc l o s u r e t h ef l o o r p l a nr e s u l t i s f i r s t l yt r a n s f o n n e di n t ot h er e g i o nc o n s t r a i n t so fm o d u l e sb yi n c o r p o r a t i n gt h ef l o o r p l a n i n h i e r a r c h i c a ld e s i g nt e c h n o l o g y , s ot h a te a c hm o d u l ei sc o n s t r a i n e dw i t l l i nas p e c i f i cr e g i o no ft h e l a y o u tt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ee s t i m a t i o no ft h el o c a l i n t e r c o n n e c td e l a yi n t h es y n t h e s i s 旦苎! 壁垒! p h a s e ；t h e n a c c u r a t e d e s i g nc o n s t r a i m s o fm o d u l e sa r ec r e a t e d t h r o u g ht o p - d o w n c o n s t r a i n t a l l o c a t i o n a n dt h eg l o b a li n t e r c o n n e c t sa r eo p t i m i z e db yt h ei a y o u td e s i g nt o o l s t oh e l ps e t t i n gt h e r e g i o nc o n s t r a i n t si nt h ef l o o r n a nd e s i g np h a s e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew i r e l o a dm o d e la n d t h em o d u l es i z ea n ds h a p ej s i n v e s t i g a t e d t h en e wd e s i g nm e t h o da n dd e s i g n f l o wh a v eb e e n v e r i f i e dw i t ht h ed e s i g no f t h ea d t bc c h i po na c o m m e r c i a lp l a t f o r m t h e1 a s tc h a p t e rs u m m a r i z e st h i st h e s i sa n dd i s c u s s e st h ef u t o r ew 0 r k ， k e y w o r d s ：s o c ，i n t e r c o n n e c td e s i g n ，l a y o u td e s i g n ，t i m i n gc l o s u r e ，h i e r a r c h i c a ld e s i g n ， f l a t t e nd e s i g n 塑堑盔堂蔓：! ：皇焦迨塞 第一章绪论 自从十九世纪四十年代末b e l l 实验窒发明晶体管以来，以、r 导体集成电路为代表的微电 子技术得到了飞速发展，已经成为现代信息产业技术的先导和基石。c m o s 上艺的发展以及 设计方法学的不断革新是推动集成电路发展的直接动力来渊。集成电路的e 速发展使一块芯 片上放置上亿个晶体管已成为现实，微处理器、存储器、输入输出单元及各种功能单元都可 以集成在一块芯片上，集成电路设计由此步入了系统芯片( s y s t e mo i lc h i p ，简称s o c ) 时代。 1 1s o c 设计概述 1 1 1 工艺和设计方法的发展 1 9 7 5 年，i n t e l 的共同创始人之一g o r d o nm o o r e 预测芯片内集成的晶体管数每1 8 个 月会翻一翻，即平均每年5 8 的增长率i lj ，这就是众所周知的摩尔定律。过去二十几年的半 导体工业发展验证了摩尔定律的准确性。美国j r 导体t 业协会( s i a ) 于1 9 9 4 年首次组织专 家进行研究，制订了半导体技术发展指南，后又几经修订，最近修订的1 9 9 9 年国际半导体技 术发展指南( i t r s ) 如表1 ，1 - 1 所示”j 。按照i t r s ，从1 9 9 9 到2 0 1 1 年，集成电路仍将按摩 尔定律持续高速发展，预测到2 0 1 4 年芯片的特征尺寸为2 0 2 5 纳米，接近m o s 器件的物理 极限值。 表1 1 1c m o s 工艺的发展趋势2 】 、c ：i le m l n 、- c ；i r s t o i 攀 f c r m ，崔i e o 2 i ) l l i2 0 f 1 22 1 , i 3 ：小142 i ) 0 52 h 疆 1 0 2 0 j i ( i 呲cl l i h 堪l h f 目咚 1 1 h i j l 鲫8 1 9 08 07 06 54 53 0 。越3 m 2 ： o x i d et i t l e k n c s * 1 1 1 1 1 1 1ls 。l )l5 ，1 l5 e 1 2 + j !i ( 1 - l5 08 。l2如，0s f ) 5 。0n k 1 1 i m l j 、耐l 世。 v 12 一lsl 二- l5 j ! ，l5”t ，一i20 h l2b6 删q05r n “订3 ，j0 t k k 、 jt z f 1 5 4i f ，眦】7 2 41 8 5 72 0 t i l ， 2 5 0 0 31 l f i f t 3 0 8 t 艺发胜、器件特征尺寸的减小是提高芯片集成度、增加芯片规模以及提升芯片t 作频 率的直接原因，这不仅促使了集成电路功能和复杂度的不断增长，同时还对芯片设计方法的 变革和设计工具的更新提出了一轮又一轮的挑战。儿十年的发展表明集成电路的设计能力与 生产能力总是存在一定差距，但新的设计工具的不断涌现，使得t c 设计能力火约每十年出现 一次阶跃式的提高，有效地缩小了与上艺能力的差距，i 割1 1 一l 示意地画出了这几次飞跃”1 。 ( 1 ) 2 0 世纪7 0 年代的版图编辑系统，即第一代c a d 。通过在版图设计时引入版图库并利 州计算机强大的蚓形编辑功能，可大大提高版图设计效率。( 2 ) 8 0 年代出现的以门阵列、标 准单元布局布线为核心内容的第二代c a d 系统。( 3 ) 9 0 年代出现的以综合为特点的第三代 e d a 设计系统。数字系统设计从原来的原理图输入方式提高到采用硬件描述语言实现行为描 述的输入方式，主要的两种硬什描述语言是v h d l 和v e r i l o g h d l h “，同时在设计中引入1 r 筮= 重缝迨 逻辑综合。由y - 设计时采用的是较高的抽象层次寄存器传输级( r t l ：r e g i s t e rt r a n s f e r l e v e l ，也称数据流描述) ，而且还采用了层次式管理方法，因此不仅人人提高芯片设计的处理 能力，设计周期也人幅度缩短，综合优化工具的采用还使芯片的性能( 如面积、速度、功耗) 获得了优化，因而第三代e d a 设计系统迅速得到推广应崩。i c 嫂计能力的提高，特别是已 经形成的三次e 跃，虽然不能完全解决设计滞后于工艺水平的问题，但基本上已充分利用了 工艺技术所能提供的集成能力。( 4 ) 从2 0 世纪9 0 年代中后期开始，围绕着深砸微米t 艺的 特点展开了对第四代e d a 工具的开发，试图在更高的行为级对系统进行描述、模拟和综合， 同时希望将前、后端设计以及测试完全融为一体，并研究开发模拟电路设计| ：_ i 动化，该e d a 技 术还在继续发胜之中。 图1 1 1 集成电路设计与生产能力的增k 趋势【3 】 1 1 2s o c 的出现 工艺发展利设计方法的革新使得在单一硅芯片卜- 实现个系统的集成即系统芯片成 为可能【7 4j 。s o c 又称片上系统，也就是系统级集成电路，它可以将原先由多个芯片组成的复 杂系统( 包括数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、m p u 、m c u 、d s p 、m p e g 等) 集成在一个芯片上。与传统的电路板设计相比，s o c 具有明显的优点：( 1 ) 消除了j 琶= 片 问的信号传输延迟，由此避免了屯路板上的信号串扰，从而大幅提高整个系统的1 i 作频率；( 2 ) 减少功耗和成本。由于单片系统芯片在速度、功耗、成本上和多芯片系统相比占有较人优势， 而且电子系统的专用性对不同的应用要求有专用的系统，冈此s o c 已经成为提高移动通信 【i “、互连网络【i “、信息家电、高速计算、多媒体应用i l “及军用电子系统【i 扎性能的核心器件， 是一种具有国家战略意义的实用技术。近几年，美国、日本、韩国、欧洲各国以及我国的台 湾地区均投入了大量物力和人力，把s o c 设计技术作为一种能提高国际竞争力的战略技术来 研究和开发。因此，无论从来来竞争日益激烈的民用产品市场的角度来看，还是从保障国防 安全的角度来看，发展s o c 设计在未来的集成电路设计业中将占举足轻重的地位，研究和掌 握这项全新的s o c 设计技术具有非常重要的现实意义。 1 1 3s o c 的特点 s o c 的主要特点是 2 塑些丕堂监堂僮迨塞 ( 1 )芯片规模大、结构复杂；主要体现在：1 ) 芯片尺寸大，器件集成密度高，门数达 到上百万门甚至上千万门。2 0 0 8 年将出现采用0 0 7 i _ t m i 艺集成有5 亿个品体管的芯 片i 】“。2 ) 包含有模拟电路、数字电路、射频电路等多种类型电路；3 ) 为便于设 计，重复使用成熟并经过验证的i p ；4 ) 为解决设计上的复杂性，需要在设计阶段 引入各种抽象层。 ( 2 )速度高、时序关系严密，时钟频率可达到几百m h z ，甚至g h z 。 ( 3 )引入了高阻、电感、高耦合寄生电容和噪声，导致时序上出现非线性。 ( 4 )采用超深砸微米艺技术，使低电压f 的i rd r o p 、串扰和屯迁移问题变得更加严 重，要求对芯片的物理效应有更详细的认识和更深入的理解。 ( 5 )设计项目管理上的复杂度大大提高。 ( 6 )需要非常人的设计数据库以及存储这些数据所需的存储空间。 ( 7 )在芯片设计上面临更为严峻的可靠性和成品率问题。 1 1 4s o c 的设计流程 s o c 设计包括系统设计和l c 功能设计二个设计阶段。 ( 1 ) 系统设计 系统设计阶段主要是对系统的抽象功能、接口和整体结构进行描述，通过系统划分， 将系统功能转换为子系统或模块的集合。系统设计过程中同时要进行验证，通过算法模 拟和基丁处理器模型的软硬件协同验证以保证系统算法和结构的正确性。系统设计具体 包括以下二：个设计阶段： 1 ) 算法开发 根据给定的系统需求，采用和硬件无关的高级语言对算法进行描述，这里所指 的和硬件无关表示在算法开发时不考虑系统具体实现的因素，如：选用的处理器类 型、指令集、寄存器k 度利片上缓存等。算法描述的目的是正确理解待设计的系统。 2 )结构设计 首先，描述一个纯功能的系统模型，这个模型既没有结构划分，也没有时序关 系，完全是功能的描述。然后，将这个功能模型映射成系统结构模型。在结构模型 中，除了要实现系统的功能外，还要包含系统的结构划分信息( 如总线、存储器、 中央处理器和外设等) 。划分后的各模块之间基于交换来实现通讯，并由事件进行 驱动，而不是基丁二周期驱动。 ( 2 ) i c 功能设计 i c 功能设计主要包括行为级描述、r t l 级描述、逻辑综合和物理设计四个设计步骤。 1 )行为级描述 对结构设计中已划分好的模块进行行为级描述，即进行模块的算法描述。与纯 软件程序不同的是，行为级描述时，模块中输入输山的行为都是基于时钟米实现， 但模块 勺部仍采用高级语言描述。由丁r t l 级描述采用的是有限状态机和数据通路 相结合的方式，因此，与r t l 级描述相比，行为级描述更加简捷、易懂，抽象层次 更高，可以获得更快的仿真速度。行为级描述的目的就是在设计的初始阶段，通过 对系统的行为描述进行仿真以尽早发现系统设计中的错误。 2 )r t l 级描述 由_ 丁行为级描述的抽象层次较高，很难映射到具体逻辑单元的硬件实现上，为 了得到硬件的具体实现必须将行为级描述转换成r t l 级描述。主要存在以r 两种实 现r t l 级描述的方式：( a ) 由设计者直接编写硬什描述语言；( b ) 由更高层的设计 丁具，o i l s y n o p s y s 的行为级综合工具b e h a v i o r c o m p i l e r 自动生成。在针对模块的r t l 蔓二童堑迨 级描述中引入了寄存器，寄存器之间为组合逻辑，寄存器值的更新完全受时钟控制， 因此r t l 级描述的模块由有限状态机和数据通路构成。r t l 级描述中，无论是在模 块的输入输山接口部分还是在内部，所有功能的实现都基丁i 时钟，而在行为级，只 有输入输出才与时钟有着严格的关系。所谓基于时钟的含义是指：设计必须清楚地 给出系统在每个时钟到来时应该发生的行为。 3 ) 逻辑综台 逻辑综台就是在约束驱动下把经功能验证正确的r t l 代码映射到某一工艺库， 转换成门级网表。当前主要的逻辑综合工具有：s y n o p s y s 公司的d e s i g nc o m p i l e r ， c a d a n c e 公司的a m b i t 和m e n t o r 公司的a u t o l o g i c ，其中尤y j , d e s i g nc o m p i l e r _ f l 得最为 广泛。逻辑综合过程可削图1 1 - 2 表示。逻辑综合过程中为优化综台结果一定要有与 设计目标相适应的约束条件( 时序、面积、功耗等) ，以实现对所设计的结构的控 制。对于同样的设计，采用不同的约束条件，会得到不同的逻辑结构。 图1 1 - 2 综合示意图 4 ) 物理设汁 物理设计又称版图设计，它属丁芯片设计的最后一个没计阶段。由逻辑综合得 到的门级网表在自动布局布线工具中通过布局规划和布局布线，完成版图设计，然 后对版图进行各种验证，验证通过并由代1 _ 厂签收确认后即可流片。 随着数字电路的速度和复杂性日益提高，设计者逐渐倾向于i h j 更高抽象层次进行设计， 以加快设计速度。但目前的主流设计方法仍是采用r t l 级进行模块功能描述，再由综合l 具 进行逻辑综合。随着行为综合丁具的出现，设计者可以直接用算法和行为方式进行设计，由 e d a i 具实现转换和优化“。 1 1 5s o c 设计面临的挑战 虽然s o c 是集成电路发展的必由之路，而且除了某些特殊器什在丁艺集成上缺乏兼容性 外，由常用器件构成的规模达到上千万门的s o c 芯片在t 艺制造上的集成已完全成为可能， 但在设计能力、设计方法和e d at 具上还面临者许多挑战j 7 - 2 0 1 。主要有： f 1 1 设计可重用概念的提出及面临的挑战 一方面，s o c 芯片的片上复杂度日益提高；另一方面，a s i c 技术的发展使得电子市场变 得更加“用户化”，目标产品的生命周期越来越短，产品投放市场的时间变得更加芙键。剥于 一个复杂设计，如果不重用已存在的模块，将没有足够的时问和设计能力去实现设计“。产 品复杂度的提高与上市时间缩短之间的矛盾促进了设计重用技术的产生和发展。 1 9 9 6 年底，在美国加州成立了虚拟插座接口联盟( v s i a ：v i r t u a ls o c k e t i n t e r f a c e a l l i a n c e ) 2 2 1 。其目的就是通过开放式标准( 包括与数据格式、测试方法和接口相关的标准) 的建立使 系统设计中来自不同供应商的1 p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 模块能顺利集成、匹配和重用。通过 4 = 逝些左堂煎堂焦选塞 对虚拟元件要求的阐明，数据格式、测试方法以及接口标准的定义，最终为s o c 建立一套类 似于系统主板生产的通朋标准。冈此，未来s o c 集成技术的核心将是基于这些标准、上具和 服务的可重用i p 的设计，基丁伊的可重用方法将成为没计方法的主流口。 i p 重用涉及i p 规范、应用、性能和兼容性。虽然i p 重用是人家一致认同的未来设训的 发展方向，然而，由丁缺乏标准与完善的验证方式，使得i c 设计公司在帮合各家l p 时需兜 服诸多困难，尤其是在创造一个i p 无缝重用环境上口4 。2 “。 ( 2 1 验证上面临的挑战 由于越米越多的功能集成到s o c 上，系统变得日益复杂，导致验证的复杂性火幅上升 测试矢量的长度和数量不断增加。尤其是，如果设计中存在错误，将越来越难发现造成错 误的原因，而且曰后更改以及重新生产的成本也非常昂贵。目前，验证技术己远远落后于设 计和制造能力，形成了验证鸿沟，而且这个鸿沟还在不断扩大，验证已成为整个设计流程巾 的主要瓶颈之一( 图1 1 - 3 ) 。为了解决日益突出的设计尺寸减小、复杂性和性能膨胀对验证 带来的问题，必须在不同t 具之间和不同抽象层次之间对验证方法进行扩展，实现模拟、协 同验证、仿真和数模混合模拟之间的通信。 图1 1 3 制造、设计和验证能力的发展状况 芯片设计中，常用的验证方法有“，j ： 1 ) 软件模拟：软件模拟是模块级验证的理想选择，因为它具有非常快速的转换和纠错 能力。这种验证方法在验证上的完各性完全依赖于测试矢量，即测试矢量对功能、 语句、逻辑状态和状态机的覆盖情况。 2 ) 软硬件协同模拟口：软硬件协同模拟能将嵌入式软件带入验证环境，这为加快处理 器、存储器和总线操作验证提供了一种途径，它也可t = j 作在测试台对硬件验证时提 供激励。软硬什协同模拟时需要构建“虚拟原型( v i r t u a lp r o t o t y p e ) ”，它包括四个 部分：用硬件描述语言描述的系统、标准模型( 包括处理器、存储器及i p 等) 、系 统的外部激励源和控制系统的软件。 3 ) 协同建模( 又称基于任务的加速仿真) ：协同建模不仅具有软件测试平台的灵活性， 还具备高性能的仿真特点，为系统验证提供了丰富的解决方案。协同建模仿真是连 接抽象测试平台与整个r t l 实现的理想桥梁。 4 ) 在线仿真：由丁在线仿真利用的是真实的硬件系统，因此不仅可以提供大容量和高 性能的验证，还可以赋予设计人员充分的信息。在线仿真能充分验证芯片是否能在 实际系统中发挥止确功能。 筮：童缝迨 5 ) 形式验证( 又称等效性检查) ”：形式验证通过将一个设训在不同的抽象层次与参 考设计进行等效性比较来实现验证，它常用以保证设计流程t f 斤期进行的网表修改不 改变原有的功能特性和行为特征。形式验证的一个局限性是它假设的前提是参考设 计是正确的，如果参考设计中有错误，就无法检查出错误。另外一个局限性是不能 验证时序，冈此必须与静态时序分析丁具配合使用。但是，形式验证不需要使用任 何测试欠量。 以上验证方法都有各自的特点，被用在芯片设计流释的各个设计阶段，以保证每一步设 计的正确性。如何在整个设计流程中结合完备的验证方法以保证芯片没计的一次成功、减少 流片风险是当今芯片验证所面临的一个重要问题。 不同设计层次上的验证主要包括； 1 ) 模块级：在这一阶段，全面验证模块的各种功能和代码，并完成验证签收丁作。模 块级验证通常采用软件模拟的验证方法。 2 ) 子系统级：充分验证完所有模块后，进入对由多模块组成的更高层次的子系统验证 阶段。在这个验证阶段，模块问通信、控制、时序和协议的实现对确保子系统功能 的止确至关重要，因此，通过执行协议来检查或采用断言米验证总线数据交换的工 具将非常有用。硬件加速仿真工具可用在此阶段，其验证测试平台可采用h d l 、c 和s y s t e mc 等高级验证语肓来实现。 3 ) 系统芯片级：该级验证涉及子系统进一步集成并嵌入相应软件后的功能验证，以及 芯片实现阶段的验证。此阶段需要仿真的内容越来越多，运行时间也越来越k ，要 求开展更多的验证仿真- l 作，如芯片和系统的功能测试，为确保经综合或布线工具 处理后不改变设计任何行为特征而进行的设计综合后与布线后的验证。 ( 3 ) 测试上面临的挑战 通过测试才能对芯片进行筛选，对每个芯片的功能及可靠性作出正确判断，因此测试是 芯片开发过程中必不可少的一个环节，它与设计、验证一起构成了芯片开发流程的核心。为 了配台芯片实现功能上以及性能上的测试，要求在芯片设计的同时还要考虑功能测试方案和 测试电路的实现，即可测性设计( d f t ：d e s i g nf o r t e s t ) 3 0 1 。 s o c 芯片在测试上同样面临着许多挑战。3 2 j ，主要有：i ) 日益增加的芯片规模导致了更 长的测试序列；2 ) 越米越多的功能要求更为复杂的测试序列：3 ) 模拟、数字和存储器电路 要求不同的测试策略；4 ) 用于测试的管脚数不会随着芯片规模的增加而增加，由此提高了测 试难度；5 ) 更高的芯片t 作频率使得全速度测试变得异常困难；6 ) s o c 上日益增加的i o 数、存储器容量以及不断提高的内核性能导致测试成本越来越高。 ( 4 1 功耗上面临的挑战 功耗问题己成为集成电路继续发展的瓶颈，越米越多的a s i c 设计对功耗提出了苛刻的要 求p 3 1 ，这是因为低功耗设计能i ) 延艮电池寿命；2 ) 减少封装成本；3 ) 避免因散热问题引 起失效。功耗增加所引起的芯片温度升高将引发一系列故障机制封装故障、电学参数漂 移、电迁移等。文献 3 4 1 n , b ，温度每升高1 0 。c ，器件故障率就要提高2 倍。4 ) 满足“绿色 产品”对低功耗的要求。 许多a s i c 设计技术与低功耗设计是背道而驰的。例如，为便于逻辑综合和静态时序分析 的实现，所有信号都必须同步于个时钟域，这是功耗最大的设计方法学之一。现在节省功 耗的大部分方式都是靠手工实现，通过灵活的结构决策，将设计分成多个时钟域，使电路的 每个部分只在用到时才工作，或让它们尽可能工作于最低的时钟速率。为减少功耗，在芯片 的各个设计层次提出了各种解决方法，主要有： 1 ) 系统结构级 在功能上引入功耗管理和睡眠模式1 3 5 l ；在总线译码、软硬件划分中进行低功耗 6 堑迪太堂墟堂鱼逾窒 设计考虑“l 以及采用多电源设计( 典型情况为2 个) 方式【”1 。由于芯片中存在许多 非关键路径，5 0 阻上的路径时延都小于时钟周期的一半，因此在非关键路径中采 川低电源哇土乐，虽然会增加日寸延，但由丁是非关键路径，因此仍可以在不影响时序 的情况下达到减少功耗的目的。通常，采用多电源技术