基于Logical Effort理論的全新IC設(shè)計(jì)方法

本文分析了傳統(tǒng)IC設(shè)計(jì)流程存在的一些缺陷，并且提出了一種基于Logical Effort理論的全新IC設(shè)計(jì)方法。

眾所周知，傳統(tǒng)的IC設(shè)計(jì)流程通常以文本形式的說明開始，說明定義了芯片的功能和目標(biāo)性能。大部分芯片被劃分成便于操作的模塊以使它們可以分配給多個(gè)設(shè)計(jì)者，并且被EDA工具以塊的形式進(jìn)行分析。邏輯設(shè)計(jì)者用Verilog或VHDL語(yǔ)言寫每一塊的RTL描述，并且仿真它們，直到這個(gè)RTL描述是正確的。

得到RTL描述之后，接下來就是利用邏輯綜合工具來選擇電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和門的大小。綜合工具比手工花更少的時(shí)間得到優(yōu)化路徑和電路圖。綜合的電路通常邏輯功能是正確的，但時(shí)序是基于近似負(fù)載模型評(píng)估得到的。

電路設(shè)計(jì)完成之后，開始版圖的實(shí)現(xiàn)。版圖通?？梢远ㄖ埔部梢杂米詣?dòng)布局布線工具產(chǎn)生。接下來，DRC、ERC、LVS等被用來驗(yàn)證版圖，后版圖時(shí)序驗(yàn)證工具用從版圖提取出來的電阻、電容數(shù)據(jù)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足時(shí)序目標(biāo)。如果電路設(shè)計(jì)階段的時(shí)序評(píng)估不精確，版圖后的時(shí)序肯定不能滿足，電路必須被修改，再執(zhí)行綜合到版圖的過程。

在電路設(shè)計(jì)過程中，最大的挑戰(zhàn)是滿足時(shí)序說明，即時(shí)序收斂。如果時(shí)序沒有問題，電路設(shè)計(jì)將變得更加容易。目前的EDA界都意識(shí)到這一點(diǎn)：要想在版圖階段達(dá)到時(shí)序收斂，通常應(yīng)該在綜合階段就考慮更多的物理設(shè)計(jì)信息。因此，現(xiàn)在很多工具在綜合階段進(jìn)行預(yù)布局布線，以便在綜合階段盡可能多地了解后端信息。

其實(shí)這樣做并不是從本質(zhì)上解決問題，因?yàn)樵诰C合階段的時(shí)序評(píng)估還是基于負(fù)載模型的理論，只是現(xiàn)在的模型比以前的要精確一些，但是與實(shí)際的版圖提取的負(fù)載還是有誤差，因此得到的時(shí)序收斂并不一定可信。不過這些方法可以減少迭代次數(shù)，但不能真正消除迭代。

為了預(yù)知時(shí)序，其實(shí)應(yīng)該建立一個(gè)非?？尚诺难舆t預(yù)算模型，也就是這個(gè)模型的延遲預(yù)算應(yīng)該非?？尚拧？尚攀侵溉绻A(yù)知電路1比電路2要快，那么實(shí)際中確實(shí)是這樣。但是基于負(fù)載模型的方法不是非?？尚?，它需要精確的寄生參數(shù)信息，但在版圖沒有得到的情況下，你是不可能有精確的寄生參數(shù)信息的。因此需要建立另外一個(gè)延遲模型，使得它不需要寄生參數(shù)信息也能得到可信的延遲估算。

Logical Effort方法采用的延遲預(yù)算模型就是這樣的一個(gè)模型，Logical Effort方法是評(píng)估CMOS電路延遲的一個(gè)簡(jiǎn)單方法。該方法通過比較不同邏輯結(jié)構(gòu)的延遲來選擇最快的候選者，該方法也能指定一條路徑上適當(dāng)?shù)倪壿嫚顟B(tài)數(shù)和邏輯門的最好晶體管大小。它是設(shè)計(jì)早期評(píng)估可選方案的理想方法，并且為更加復(fù)雜的優(yōu)化提供了一個(gè)好的開始。

Logical Effort延遲模型

建模延遲的第一步是隔離特定的集成電路加工工藝對(duì)延遲的影響。通常，把絕對(duì)延遲表示為兩項(xiàng)之積：一項(xiàng)是無單位的延遲d，另一項(xiàng)是特征化給定工藝的延遲單位τ。即d_abs=d_τ。τ可以計(jì)算出來，例如在0.6μm工藝下τ大約為50ps。

延遲d通常由兩部分組成，一部分叫本征延遲或寄生延遲，表示為p，另一部分正比于門輸出端負(fù)載的延遲，叫做effort延遲，表示為。即：d=f+p。

effort延遲依賴負(fù)載和邏輯門驅(qū)動(dòng)負(fù)載的特性。我們引入兩個(gè)相關(guān)的項(xiàng)：Logical Effort(LE)捕捉邏輯門的特性，electrical effort(g)特征化負(fù)載的影響。即f=LE*g，所以d=LE*g+p。

Logical Effort捕捉邏輯門的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)它產(chǎn)生輸出電流的影響，它獨(dú)立于晶體管的大小。electrical effort即門的增益，描述門的電子環(huán)境(即與門連接的東西)怎樣影響它的性能，也可以說門中晶體管的大小怎樣決定門的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。增益的簡(jiǎn)單定義是：g=C_out/C_in。其中C_out為邏輯門輸出端負(fù)載的電容，C_in為邏輯門輸入端的電容。

至此，我們可以如圖1所示那樣來計(jì)算延遲d。

從這里我們看到，延遲依賴門的增益，而不是它的精確寄生參數(shù)。同時(shí)，Logical Effort理論中還有兩個(gè)非常完美的結(jié)論。

少的邏輯狀態(tài)不一定能產(chǎn)生最快的電路延遲。那么多少個(gè)邏輯狀態(tài)將產(chǎn)生最快的電路延遲呢？對(duì)于反向器組成的電路，Sutherland指出：最快的反向器結(jié)構(gòu)發(fā)生在C_out=3.6C_in。當(dāng)C_out=3.6C_in時(shí)，我們稱反向器的負(fù)載為完美負(fù)載。我們可以定義門的增益為Gain=C_out/(3.6*C_in)，并把它作為電路單元(cell)的延遲預(yù)算。

最快的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一致可變的Gain，因此在物理綜合階段，可以通過仔細(xì)調(diào)整Gain的值，保持時(shí)序不變。