一種電子系統(tǒng)認證芯片的電源規(guī)劃

摘要：為了對所開發(fā)的電子產(chǎn)品進行保護，采用ASIC的方法設(shè)計基于硬加密技術(shù)的電子系統(tǒng)認證芯片。在后端物理設(shè)計中，為了使最終的芯片實現(xiàn)面積優(yōu)化且滿足功耗、時序等要求，采用預(yù)設(shè)計的方法對芯片進行功耗預(yù)估與布線擁塞分析。根據(jù)分析結(jié)果提高了芯片利用率，并針對預(yù)設(shè)計中存在的電壓降(IR Drop)違規(guī)進行了詳細的電源規(guī)劃，包括全局電源網(wǎng)絡(luò)的連接、電源環(huán)和電源條的設(shè)計，最終滿足了功耗要求，實現(xiàn)了時序收斂以及面積優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：系統(tǒng)認證；電源規(guī)劃；功耗分析；電壓降

0 引言
為了防止所研發(fā)的電子產(chǎn)品被非法克隆，一種有效的方法是采用硬加密技術(shù)對電子產(chǎn)品進行保護。硬加密技術(shù)是指依賴特定的硬件實現(xiàn)系統(tǒng)保護，主機需要訪問相應(yīng)的硬件進行認證后才能正常工作，具有抗解密強度高，穩(wěn)定性和兼容性好等優(yōu)點。
本文所研究的電子系統(tǒng)認證芯片是基于硬加密技術(shù)采用專用集成電路(ASIC)設(shè)計的方法來實現(xiàn)的。由于ASIC上有特殊算法，PCB和一些硬件可能被復(fù)制，但是無法復(fù)制ASIC的加密數(shù)據(jù)，保密性更強。該芯片采用RSA加密算法，它是非對稱密鑰密碼體制的代表，其安全性在于找到兩個大素數(shù)p和q比較容易；但目前沒有有效的方法從p和q的乘積N中分解出p和q。有專家建議，普通公司使用1 024位的密鑰就可以保證資料的安全性，因此該系統(tǒng)認證芯片采用密鑰為1 024位的RSA加密算法。
該電子系統(tǒng)認證芯片采用SMIC 0．18μm 6層金屬工藝，在SoC Eneounter平臺上進行物理設(shè)計。為了了解整個芯片的布線擁塞程度和功耗的大概情況，進行正式設(shè)計之前，對該芯片進行預(yù)設(shè)計；通過預(yù)設(shè)計的結(jié)果分析芯片的布線擁塞情況，并對布局布線后的功耗進行預(yù)估。在分析預(yù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對預(yù)設(shè)計中存在的問題對芯片進行詳細的電源規(guī)劃，為整個芯片設(shè)計出一個合理的供電網(wǎng)絡(luò)，使最終的設(shè)計實現(xiàn)面積優(yōu)化，并且滿足功耗、時序等要求。

1 功耗預(yù)估
預(yù)設(shè)計采用75％的利用率，對該電子系統(tǒng)認證芯片進行了粗略的布圖規(guī)劃，僅設(shè)計了寬度為10 μm的電源環(huán)。為了使芯片功耗的分析結(jié)果更接近實際，對該芯片進行了布局、時鐘樹綜合和詳細布線等步驟。在時序收斂的前提下，進行功耗分析，工作電壓VDD為1．8 V，得到芯片的總功耗為115．41 mW，包括開關(guān)功耗(Switehing Power)、內(nèi)部功耗(Internal Power)和泄露功耗(Leakage Power)。但是芯片中存在IRDrop違規(guī)(即芯片中的電壓降超過了5％VDD)，如圖1所示，左上角的對話框中列出了存在IR Drop違規(guī)的地方，具體位置在版圖中的深色區(qū)域。一般情況下，5％的電壓降會增大10％～15％的線延遲，會產(chǎn)生時序違規(guī)，使芯片處于不正常的工作狀態(tài)，因此，需要在后續(xù)設(shè)計中進行詳細的電源規(guī)劃。

采用75％的利用率進行詳細布線后發(fā)現(xiàn)，版圖中的布線擁塞情況并不嚴重，Meta15和Meta16的布線資源均比較寬裕。一些研究表明，芯片成本與芯片面積的4次方成正比。為了降低成本，應(yīng)盡可能減小芯片面積。經(jīng)過反復(fù)嘗試之后，確定芯片的利用率為80％，芯片內(nèi)核(Core)面積約為2．474 mm2，總面積約為3．5 mm2，比預(yù)設(shè)計時減小了約0．12 mm2。

2 電源規(guī)劃
在該電子系統(tǒng)認證芯片的預(yù)設(shè)計階段，存在IRDrop的違規(guī)，因此必須通過電源規(guī)劃來設(shè)計芯片的供電網(wǎng)絡(luò)，以消除IR Drop違規(guī)。電源規(guī)劃的總體步驟包括全局電源網(wǎng)絡(luò)的連接、電源／地Pad規(guī)劃、電源環(huán)的設(shè)計和電源條的設(shè)計。