Transcript Microelectronics Research and Development Ltd

Áramkörszimuláció
a mikroelektronikai tervezésben
Áramkörszimuláció
• Tarnzisztor szintű vagy analóg szimuláció
• Az ellenőrzés eszköze pl.:
– standard cella tervezésénél,
– analóg áramköri tervezésnél,
azaz minden olyan esetben, amikor az
áramkört
– tranzisztor szintű kapcsolási rajz, illetve
– “kézi” tervezésű layout formájában
terveztük meg
Az áramkörszimuláció helye
Szimulátor:
Reprezentáció:
Viselkedési leírás
Rendszer szimuláció
Specifikáció VHDL-ben
vagy Verilog-ban
Absztrakciós szint:
Rendszer szintű
tervezés
Szintézis
Logikai tervezés
Logikai szimuláció
időzítési
paraméterek
Áramkörszimuláció
Struktúrális leírás
Layout generálás
Layout leírás
eszközparaméterek
Sémaeditor
Tranzisztor szintű
tervezés
Layout editor
tervezési szabályok
Fizikai eszközszimuláció
Technológiai szimuláció
Optimalizálás
Az áramkörszimuláció helye
• Digitális tervezésnél:
Nem találkozunk vele, mert az áramkörtervező
ezeken az absztrakciós szinteken (rendszer szint,
logikai séma) nem tervez.
• Standard cella tervezése:
A cellát tranzisztor szinten tervezzük, tehát
szükség van áramkörszimulációra.
• Analóg tervezés:
Tranzisztor szinten történik, az ellenőrzés eszköze
az áramkörszimulátor.
Az áramkörszimuláció helye
netlista
Tranzisztor szintű
kapcsolási rajz
Sémaeditor
Pre-layout szimuláció: funkció
ellenőrzése
Áramkörszimulátor
LayoutLVS
szintézis
Layout visszafejtés
Layout terv
netlista
DRC: tervezési
szabályellenőrzés
A szimuláció
Áramkörszimulátor
Layout editor
Post-layout
szimuláció: a
mellett egyéb ellenőrzések
is történnek
megvalósítás ellenőrzése
Áramkörszimulációs programok
• A legismertebb: SPICE
– Berkeley SPICE
– PSPICE
– egyéb kerekedelmi verziók
• BME-EET: TRANZ-TRAN (1969…2003…)
– PC-s DOS-os verzió
– elektro-termikus verzió: SISSI
• Aplac (Helsinki Műszaki Egyetem)
• SABER
• ...
Egy áramkörszimulációs program
struktúrája
Preprocesszor
netlista
Gerjesztések,
vezérlő
utasítások
Szimulációs mag
(solver vagy engine)
Eredmény file-ok
Posztprocesszor
GUI
Katalógus
A kezelői felület (GUI)
• A tervező rendszer szolgáltatásait igénybe
véve is kialakítható, lásd Cadence Opus
– composer
– waveform megjelenítő
• A szimulációs rendszer része lehet
– PSPICE
– TRANZ-TRAN (DOS, SISSI)
Egy áramkörszimulációs program
struktúrája
Egy áramkörszimulációs program
struktúrája
A szimulációs mag felépítése
netlista
Hálózategyenletek
generálása
Matematikai megoldó
algoritmusok
Eszközmodellek
Katalógus:
eszközparaméterek
A szimulációs mag
• Hálózategyenletek generálása =
Kirchhoff-egyenletek automatikus felírása
• Matematikai megoldó algoritmusok:
Kirchhoff-egyenletek megoldás
• Eszközmodellek:
Félvezető eszközök, passzív alkatrészek,
generátorok, stb.
Ezek pontossága határozza meg, hogy a
szimuláció mennyire lesz jó.
Áramkörszimulációs programok
osztályozása
Analízis fajták nemlineáris programoknál:
• nemlin. DC (munkapont meghatározása)
• DC transzfer kar. számítás (sorozatos DC)
• nemlin. tranziens (időtartománybeli)
• frekvenciatarománybeli (munkaponti
linearizálással)
A matematikai algoritmus mindig az
analízis fajtától függ.
Megoldó módszerek
• Csomóponti potenciálok módszere
– elsődleges jellemzők a hálózat csomóponti feszültségei egy
adott referncia ponthoz képest
– könnyen implementálható
– jól illeszkednek hozzá a félvezető modellek (feszültség
függvényében áramok)
– ez az elterjedt módszer
– induktivitás és feszültségforrás csak veszteséges modellel
írható le
• Hurokáramok módszere
• Állapotváltozós módszer
– elsődleges jellemzők: a kapacitások töltése, induktivitások
fluxusa
– kicsit bonyolultabb az implementációja
– minimális egyenletszám, ideális alkatrészek
Megoldó módszerek
A matematikai algoritmusok
• lin. DC
• M csomópontnál: M-ismeretlenes lineáris
egyenletrendszer megoldása (pl. Gauss-elimináció)
• nemlin. DC
• M csomópontnál: M-ismeretlenes nemlineáris
egyenletrendszer megoldása (pl. Newton-Raphson
it.)
• kisjelű AC
• M csomópontnál: M-ismeretlenes komplex
együtthatós lineáris egyenletrendszer megoldása (pl.
Gauss-elimináció)
• nemlin. tranziens
• M-ismeretlenes nemlin. differenciál-egyenlet
rendszer megoldás (pl. reverse-Euler módszer)
Szolgáltatások
•
•
•
•
Lineáris DC szimuláció
Nemlineáris DC szimuláció,
DC transzfer-karakterisztika számítása
Frekvencia-tarománybeli szimuláció
A modelleket egy DC munkapont körül linearizálják
– Kisjelű AC szimuláció egy adott frekvencián
– Bode diagramok számítása
•
•
•
•
•
Nemlináris (nagyjelű) tranziens szimuláció
Tolerancia analízis
Zaj analízis
Torzítások vzisgálata
Termikus hatások figyelembevétele, stb.
Alkatrész készlet
• Passzív alkatrészek - lináris elemek
– koncentrált paraméteres R, C (ideális), L (veszteséges),
– tápvonal modellek
• Beépített makro modellek: trafó, lin. OpAmp
• Generátorok - lináris elemek
– feszültséggenerátor (veszteséges, belső ellenállása van)
– áramgenerátor (ideális, belső ellenállása végtelen)
– vezérelt generátorok (feszültségvezérelt I, U)
• Félvezető eszközök - nemlináris elemek
–
–
–
–
dióda
bipoláris tranzisztor
JFET
MOSFET
• Felhasználó által definiálható modellek:
– makro modellek = paraméterezhető részáramkörök
– szubrutinnal (egyenlettel) megadható modellek
Modellek
• A szimulációs magba beépített egyenletek:
beépített modellek
Pl. ideális dióda modellje:
I = Io  [exp(U/mUt)-1]
U
• Modellparaméterek
A SPICE-ban a paraméterek
halmazát is modellnek szokták
nevezni.
• Modell topológia
I(U)
Egy MOS tranzisztor modelljének
topológiája
• Bulk csomópont (bulk hatáshoz kell)
• Termikus ág (saját melegedés hatása, termikus
csatolás), árama: P=Id*Uds
• Hőmérséklet-vezérelt elektromos ágak
Modellek
• A modellek “pontossága” függ
– a beépített egyenletektől
– a paraméterkészlet minőségétől
• Például MOS tranzisztorok esetében
– MOS1 (TRTR), level1 (SPICE)
• négyzetes karakterisztika
– MOS2 (TRTR), level2 / level3 (SPICE)
•
•
•
•
bulk hatás,
rövid- és keskenycsatornás effektusok
küszöb alatti áramok (SPICE)
saját melegedés (TRTR)
– EKV modell (TRTR), BSIM3 modell (SPICE)
• szubmikronos eszközökre is jók
Követelmények a modellekkel
szemben
• A modellek illeszkedjenek a megoldó algoritmushoz.
Pl. csomóponti potenciálok módszere esetében I(U)
karakterisztikákat szolgáltassanak
• bemenet:
• kimenet:
ágfeszültség
ág árama,
(differenciális) vezetése,
ág kapacitása
• A valóságos eszközöket minél hűebben írják le
• Egyszerűek, kis futási idejűek legyenek:
Explicit, analítikus összefüggés, ne legyen belső
iteráció
• Numerikus stabilitás (ne szálljon el extrém bemenetre
sem - pl. dióda)
• Könnyen meghatározhatóak legyenek a paraméterek
Követelmények a megoldó
algoritmusokkal szemben
• Az egyes szimulációk eredményei
konzisztensek legyenek:
– AC(f  0Hz)  DC
– Tranziens eredmények t = 0s-ban egyezzenek
meg a DC eredményekkel
– Nagyon lassú tranziens  DC transzfer kar.
• Gyorsak és RAM takarékosak legyenek
– ritka mátrix technikák
• Numerikus stabilitás, jó konvergencia
tualjdonságok
– módosított Newton-Raphson iteráció
– adaptív lépésköz szabályozás tranziensnél
Elektro-termikus szimuláció
• Az áramkörök saját melegedése hatással van
a működésükre
• Ez különösen igaz egyes analóg áramkörök
esetében
– munkapont elmozdul,
– termikus visszacsatolás befolyásolja a dinamikus
viselkedést,
• A layout kialakításánál ügyelni kell erre (pl.
szimmetrikus layout - lásd matching rules)
• Még digitális áramköröknél is szükség lehet a
termikus hatások szimulációjára...
Introduction
• SISSI: Simulator for Integrated Structures by
Simultaneous Iteration
– Experimental software package on top of a particular
design kit within Cadence Opus
– Tools of our own development: THERMODEL, TRANSTRAN, THERMAN
– Glued by scripts in the SKILL language of Cadence Opus
– Schematic entry, layout extraction, results visualization system services of Opus
– Benchmark problems simulated with success
• The renewal of the package
– own GUI with draft layout editor
Experiences: CMOS OpAmp
DC simulation; good agreement between simulation
and measurement
Experiences: micro-thermostat
Tight thermal coupling, effect of the encapsulation.
Good agreement between simulation and
measurement
The general flowchart
Design flows
Schematic entry + draft layout:
Simultaneous editing of schematics and layout (for
components relevant from thermal point of view)
Design flows
Schematic entry + draft layout:
Design flows
Layout-based electro-thermal simulation:
Design flows
Layout-based electro-thermal simulation: layout extractor
Layout extractor
• Techno file editing:
Layout extractor
• Defining the include mask:
SIAL layer: for extracting Si-Al contacts to consider the
Seebeck-effect if needed
Layout extractor
• Result: layout of dissipating & temperature
sensitive elements (THERMAN & CIF formats)
The complete thermal model
• Each element of the matrix of thermal couplings can be
described as presented
• If the electronic circuit contains N thermally coupled (dissipative
and/or temperature sensitive) components, N2 ladders are
needed. For N=2:
Modeling thermal impedances
Thermal impedances are modeled by Foster
networks:
C1
C2
C3
R1
R2
R3
The time discretised resistive equivalent of a
capacitor:
C
UC  g = C / t
The time discretised resistive equivalent of
a complete Foster chain:
C  UCe/ t
JE1
JE2
JE3
JEk
g1
g2
g3
gk
1
2
1/R1
3
1/R2
k
1/R3
g1 = C1 / t
JE1 = C1  (UC1-UC2)/ t
1/Rk
Electro-thermal device models
• A basic set of electro-thermal device model has been
implemented
• Need for advanced models - we are working on
implementation of an electro-thermal EKV MOS
model
Presentation of the results
Nodal voltages, device
temperatures,
Device dissipations,
Function plots:
• transient,
• transfer
• Bode
Temperature maps
• 2D or axonometric
• profile cross-sections
Presentation of the results
Example: OpAmp
Benchmark example of Solomon demonstrating the
effect of the thermal feedback on operational amplifiers.
Two layout arrangements with different package
structures have been studied.
Effect of layout arrangement
DC transfer characteristics depend on the layout
symmetric layout - symmetric x-fer char.
asymmetric layout - asymmetric x-fer char.
Effect of package structure
DC transfer characteristics
depend on the package
structure
Frequency-domain
behavior depends on the
package structure
Effect of package structure
Transient behavior also depends on the
package structure
Electro-thermal simulation on gate
level (logi-thermal simulation)
• On-line toggle counting during Verilog simulation
• Power calculation from the toggle counts together with
the timing information. This will give for each instance the
total energy dissipated.
• Annotate for each cell instance its power into the physical
representation, and extract the whole in a format
compatible with the thermal simulator the thermal
simulator
• Run the thermal simulator (THERMAN) in DC mode. The
power data corresponds to a steady-state simulation.
• Compute the total power of the design by making the
sum, and use this value as a single input to the lumped
RC model for package simulation.
Some research results
Logi-thermal simulation: feasibility study
Temperature gradients on the chip surface:
8-bit counter,
1 micron CMOS process,
25 MHz,
2 modes of operation
Floorplan taken from
Opus, event-count density
from Verilog, own logithermal gate models, own
thermal simulator
Implementation now in progress in Grenoble using MicReD’s THERMAN
Test Bench
1
Customized
PLI
Inte rac tiv e
Toggle count
file
.tcf
Backannot at ed Netlist
+
Timin g (.sdf )
Verilog-XL
Simulator
Waveforms
Sign-o ff
Test bench
VCD
Syst em
Task
VCD D um p file
.vcd
Vcd2Tcf
TLF
Libra ry
LEF
Libra ry
Physical
Representation
SKILL
Pro ced ure
Virt uoso
Cad ence layout
Cells T her mal Map
Post- Processor
Power Calculation
THERMA N input
.thc
THERMAN
Circuit Thermal Map
Tim ing Fil e
.sdf
IC Tota l Powe r
Stimuli File
HD L-A pack age
Mode l
HDL- A
Simulato r
Package Thermal
Respon se
Logi-thermal simulation examples
Design layout
Digital circuit with 2 RAM blocks (0.6µm CMOS, 20k gates, 40 MHz,
15mm2). Maximum temperature gradient was 14 degrees.
Design layout
Temperature profile of a 32x32
bits combinational multiplier,
(0.18µm CMOS, 7k gates,
200MHz, 0.085 mm2)