深亚微米SoC晶体管级静态时序分析与建模

深亚微米SoC晶体管级静态时序分析与建模

唐培松

叶晨

pstang@

国家高性能集成电路（上海）设计中心

National High Performance IC (Shanghai) Design Center

ABSTRACT

With the steady advance of integrated circuit chip technology to ever-smaller features, ever-more complex design, ever-larger chip area, and ever-higher operating frequencies, Static timing analysis of SoC faces many new challenges. In this paper, the characteristic of NanoTime was introduced in brief, and the analysis precision of several static timing analysis tools was compared with HSPICE in detail. The advantage of NanoTime was provided according to the application of NanoTime in a project of SoC. Finally, this paper gave a brief introduction on the questions and corresponding solutions in the process of timing analysis of SoC.

Key words PathMill，NanoTime, PrimeTime, HSPICE, SoC, STA, P&R, hierarchy

摘要

摘要:随着芯片的制造工艺进入到深亚微米，SoC的设计日趋复杂、规模急剧膨胀、频率快速提升，这些因素都给芯片的静态时序分析带来前所未有的压力和挑战。本文简要介绍了NanoTime的特点并对当前主流静态时序分析工具与HSPICE的仿真精度作了对比，结合目前设计的SoC芯片全面介绍了NanoTime 的应用流程及其优势，同时对遇到的问题及其解决方案做了说明。

1.0 概述

随着集成电路的制造工艺发展到90nm以及65nm，纳米级效应对时序的影响越来越显著。特别是对于定制数字逻辑，精确评估这些效应并分析出准确的时序信息显得尤为重要。对定制数字逻辑的传统分析方式是SPICE/FastSPICE仿真分析，但SPICE/FastSPICE需要大量的仿真激励以及长时间的仿真运行。而随着现在逻辑规模和设计复杂性的急剧增长，加上SPICE/FastSPICE动态仿真分析覆盖率较低的弱点，都会导致芯片良率的降低和开发周期的延长，寻求并推出新的分析方法显得尤为必要。

现代集成电路设计中，对某些特殊逻辑来说，完全定制流程会比通常的P&R流程可以获得更优时序和更小面积的回报。这对于我们目前设计的对性能、功耗、面积要求都比较高的SoC芯片来说尤其如此。另一方面，由于芯片的规模非常大，在选择设计流程的sign-off标准时都必须考虑服务器的运行时间和耦合噪声可能带来的影响。在之前的开发流程中，我们选择了PathMill作为时序分析工具。PathMill作为上一代标准的晶体管级的静态时序分析工具，很好满足了我们90nm工艺之前的芯片设计静态时序分析的需求。但是对于目前我们采用的65nm工艺的芯片来说，PathMill已经不能适应新工艺的要求，并且缺乏我们目前需要的分析噪声可能带来的潜在影响的能力，NanoTime的推出很好地弥补了这个需求。

1.1 NanoTime简介

NanoTime是PathMill面向90nm以及更高工艺水平的新一代替代工具。作为针对晶体管级电路的业内标准的静态时序分析工具，相比PathMill，NanoTime可以提供更高的精度、性能以及易用性，可以应对日益增

长的设计复杂性、RC互连影响、低电压和低功耗设计的需求，并致力于解决90nm及更高工艺带来的挑战。作为PathMill的替代工具，NanoTime继承了PathMill的优点，但是在工具的使用方式上更类似于PrimeTime。NanoTime使用完全交互的shell环境，并且可以和PrimeTime进行SDC（Synopsys Design Constraints）命令共享。这使得有过PathMill和PrimeTime使用经验的工程师能快速地掌握NanoTime的使用方式。

尽管NanoTime和PathMill有着相似的功能，但是它们之间也有着显著的区别，主要体现在以下几个方面：l 能自动识别出更多更新的电路拓扑结构。

l 时钟的定义更加灵活，同时支持多种时钟定义。

l 对于未能正确识别的拓扑结构，提供更丰富的配置命令。

l 配置命令更加灵活，特别适合一些独特的电路结构。

l 可以识别更多类型的动态电路以及门控时钟逻辑，并支持多时钟动态电路的分析。

l 提供更多路径搜索时用户可控制的选项，譬如：只搜寻以某个点为终点的路径，或者只搜寻时钟路径而不管数据路径。

l 时序检查基于pin，而不是net。基于pin的时序检查精度更高，因为用户可以在指定的pin上定义时序检查而不是在一条net上最差的任意pin上。

l 产生.lib或者.db格式的静态时序模型，和其它时序分析工具有更好的兼容性；产生的时序模型不只携带了输入到输出的延迟信息，而且还携带了PathMill模型（.modeldb）中不包含的cap信息。

1.2 NanoTime基本分析流程

NanoTime分析流程包含五个的阶段（phase），每个阶段都以一个命令作为结束，该命令报告该阶段正确完成或者执行错误。所有的阶段都必须以特定的顺序完成，每一个阶段都必须成功结束才能进入下一个阶段。

NanoTime的基本分析流程如图1.1所示：