考慮工藝偏差的芯片制造收益優(yōu)化及多PVT點(diǎn)快速電路仿真方法研究.pdf

1、從集成電路的誕生到如今單片集成上億個(gè)晶體管，短短幾十年的時(shí)間里集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了一個(gè)人類技術(shù)史上的光速神話。集成電路的高速發(fā)展歸功于制造工藝的進(jìn)步以及設(shè)計(jì)方法學(xué)的革新。集成電路設(shè)計(jì)方法學(xué)在90年代歷經(jīng)了從以器件為中心的第一代設(shè)計(jì)到以互連線為中心的第二代設(shè)計(jì)的變革，而如今，當(dāng)集成電路的工藝節(jié)點(diǎn)縮小至45nm，越來越嚴(yán)重的工藝偏差增大了電路性能的不確定性，降低了芯片的成品率，使傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)方法受到極大的挑戰(zhàn)，集成電路設(shè)計(jì)方法學(xué)正轉(zhuǎn)

2、入以可制造性和成品率驅(qū)動(dòng)為中心的第三代設(shè)計(jì)方法。
　　基于頻率約束的考慮，高性能電路(如處理器或一些高性能的定制電路)的設(shè)計(jì)通常選擇典型工藝拐點(diǎn)(Typical-Typical)，而由于工藝偏差的影響其芯片速度呈現(xiàn)較寬的分布，由此導(dǎo)致成品率的降低成為制約芯片制造收益的關(guān)鍵因素。為了提高制造收益，工業(yè)界廣泛應(yīng)用速度分級技術(shù)將芯片按其工作頻率分開售賣，而針對速度分級策略優(yōu)化問題的相關(guān)研究卻才剛剛起步，缺乏系統(tǒng)的問題定義和完整的解決方案

3、。另一方面，那些對速度要求不高但其電路性能更敏感于參數(shù)變化的設(shè)計(jì)(比如模擬電路)，電路的魯棒性是更為重要的指標(biāo)。除了工藝參數(shù)，器件的電學(xué)參數(shù)還會隨著電源電壓和環(huán)境溫度而改變。為了驗(yàn)證電路的魯棒性，需要對同一電路設(shè)計(jì)在多個(gè)PVT(Process-Voltage-Temperature condition)點(diǎn)上考察其行為和性能。然而隨著電路規(guī)模的擴(kuò)大和待仿真PVT點(diǎn)數(shù)的增多，傳統(tǒng)的SPICE-LIKE仿真方法受困于高昂的時(shí)間成本，而無法適用

4、于多PVT點(diǎn)的電路快速仿真。
　　針對芯片制造收益優(yōu)化的問題，本文首次系統(tǒng)定義了高性能芯片的速度分級策略優(yōu)化問題，不僅考慮了銷售收益，還同時(shí)考慮了測試成本和分級個(gè)數(shù)對芯片制造收益的影響。在此基礎(chǔ)上，本文提出了完整的解決方案，設(shè)計(jì)了分離式、整合式兩種優(yōu)化方案，并分別從理論分析和數(shù)值實(shí)驗(yàn)的角度討論了這兩種方案的區(qū)別。本文將該優(yōu)化問題分解為幾個(gè)子問題，并分別提出了有效的算法：首先，對于統(tǒng)計(jì)周期計(jì)算問題，本文提出基于廣義隨機(jī)配置法的鎖存器

5、電路SSTA方法，通過將統(tǒng)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為多個(gè)確定性問題，避免了不同迭代循環(huán)中變量的自相關(guān)現(xiàn)象，并能處理任意分布的工藝偏差；其次，對于銷售收益優(yōu)化問題，本文提出啟發(fā)式的貪婪算法，并詳細(xì)討論了迭代子問題中目標(biāo)函數(shù)的單峰性，為本文算法尋找最優(yōu)解提供了理論證明；再次，對于測試成本優(yōu)化問題，本文將原問題轉(zhuǎn)化成字母序二叉樹的帶權(quán)路徑長度最小化問題，并基于Hu-Tucker編碼提出最優(yōu)算法求解分級邊界的最優(yōu)測試等級；最后，本文還通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)討論分析了分

6、級個(gè)數(shù)在芯片速度分級策略中的影響，并提出一種簡便的方法確定最優(yōu)分級個(gè)數(shù)。
　　針對多PVT點(diǎn)下SPICE-LIKE仿真器的電路仿真速度較慢這一問題，本文提出一種基于數(shù)據(jù)復(fù)用的增量式仿真方法(DRIAM)，通過在待仿真PVT點(diǎn)下復(fù)用已有的仿真結(jié)果代替基礎(chǔ)響應(yīng)，并擴(kuò)大增量電路仿真的步長來加快電路的仿真。DRIAM具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，DRIAM方法利用增量電路響應(yīng)較為平緩的特性，可以在相同的誤差容限下使用較大的時(shí)間步長仿真增量電路，由此

7、達(dá)到提速電路仿真的效果；其次，DRIAM方法中的增量電路可以通過原電路的狀態(tài)方程系統(tǒng)而自動(dòng)地建立，并且增量電路不包含任何新增的節(jié)點(diǎn)和電路元件，不會因電路規(guī)模增大而增加額外的計(jì)算量；再次，DRIAM可以很容易地集成到SPICE-LIKE仿真器中，無需修改仿真器框架，而只需增加復(fù)用數(shù)據(jù)、構(gòu)造新的右端項(xiàng)、還原輸出響應(yīng)等步驟即可完成集成；最后，DRIAM具有良好的植入性，與其他仿真加速方法并不沖突，可以直接植入其他加速算法的各PVT點(diǎn)仿真過程中