教你如何測量芯片數(shù)字模擬噪聲

　　1. 簡介

　　與過去相比，現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)的利潤空間更低、掩膜成本更高。這兩點(diǎn)增加了對(duì)一次投片成功率的要求。過去使用的專門方法已經(jīng)不足以確保一次投片成功率，因此需要新的分析方法。SoC設(shè)計(jì)的諸多領(lǐng)域都遇到了這一問題并已得到妥善解決，因此，芯片的數(shù)字部分與模擬部分間的交互便成為最后的棘手問題之一。

　　本文將介紹一種利用Primetime-SI（PT-SI）來測量芯片數(shù)字部分對(duì)模擬部分產(chǎn)生的串?dāng)_的分析方法。內(nèi)容包括使用此方法時(shí)遇到的問題以及各種限制和優(yōu)勢。

　　2. PrimeTime-SI中的噪聲

　　PT-SI用于計(jì)算兩種形式的串?dāng)_延遲變化和噪聲。近年來，延遲變化功能受到廣泛的關(guān)注，而噪聲影響則未得到如此多的注意。

　　2.1 PT-SI如何計(jì)算噪聲

　　下面的圖1是來自SOLVNET的圖像，說明了PT-SI如何計(jì)算噪聲。如圖所示，干擾源在被干擾網(wǎng)絡(luò)中引入了一個(gè)噪聲沖擊，當(dāng)干擾源的時(shí)序重疊時(shí)，噪聲沖擊便會(huì)疊加在一起。盡管這是一種簡化的說明，但足以達(dá)到我們的目的。

　　圖1：串?dāng)_和傳播噪聲的組合影響［1］

　　2.2 噪聲類型

　　除了噪聲沖擊的時(shí)序關(guān)系，PT-SI還能計(jì)算四種類型的噪聲沖擊——高于高電平、低于高電平、高于低電平和低于低電平。圖2給出了相應(yīng)說明，該圖同樣來自SOLVNET。盡管PT-SI的假設(shè)（即，地或VDD中出現(xiàn)噪聲）不一定適合模擬網(wǎng)絡(luò)，但它提供了合理的預(yù)估，并且運(yùn)行時(shí)權(quán)衡的重要性應(yīng)高于引入的任何誤差。

　　圖2：噪聲沖擊類型［1］

　　2.3 噪聲特性

　　圖3給出了根據(jù)PT-SI特性計(jì)算的噪聲沖擊。對(duì)于我們的目的而言，只需考慮沖擊的高度，因?yàn)槟M網(wǎng)絡(luò)通常與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)異步，所關(guān)注模擬網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典示例是ADC的輸入。在這種情況下，我們關(guān)注的問題是串?dāng)_引入的最大誤差，而集中研究高度可以解決這一問題，同時(shí)還能簡化分析。

　　圖3：噪聲沖擊特性［1］

　　3. 能否計(jì)算模擬網(wǎng)絡(luò)上的噪聲？

　　3.1 要求

　　在2012年，產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)提議CAD部門尋找一種方法來分析其設(shè)計(jì)中模擬網(wǎng)絡(luò)上的噪聲?，F(xiàn)有流程采用一種專門方法處理噪聲，即，依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)在需要之處添加屏蔽和額外的間距。對(duì)于團(tuán)隊(duì)一直使用的相對(duì)較大的幾何工藝而言，這些“屏蔽然后聽天由命”的方式足以應(yīng)對(duì)。但若要轉(zhuǎn)向新工藝時(shí)，則希望可以借助某種分析方法來改善流程。

　　要起到作用，分析方法必須合理有效，并且最好盡可能地充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行時(shí)的性能被認(rèn)為比絕對(duì)精度更加重要；需要考慮最壞情況下的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)的任何潛在問題都可以進(jìn)一步分析，移植步驟也可以實(shí)現(xiàn)。如果發(fā)現(xiàn)了足夠的余量，則可回收先前為屏蔽或間距分配的資源。此外，還需要一種能夠在設(shè)計(jì)更改時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)回歸流程一部分運(yùn)行的自動(dòng)化技術(shù)。

　　3.2 實(shí)現(xiàn)中的挑戰(zhàn)

　　PT-SI的噪聲分析功能似乎能夠滿足上述要求。只需寫出SPEF和交叉耦合電容并確保模型支持SI分析，便可將該功能添加到現(xiàn)有流程中。但是，PT-SI針對(duì)同步數(shù)字網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)。它能夠計(jì)算模擬網(wǎng)絡(luò)上的噪聲沖擊嗎？如果能，它將如何處理數(shù)字干擾源在異步模擬網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)序？PT-SI能夠處理作為干擾源的模擬網(wǎng)絡(luò)嗎？如果能，它將如何處理？在SolvNet或Web上進(jìn)行搜索對(duì)回答這些問題沒有太大幫助，也難以找到人們使用PT-SI分析模擬網(wǎng)絡(luò)的任何證據(jù)。

　　3.3 尋求解決方案

　　3.3.1 PT-SI能夠計(jì)算模擬網(wǎng)絡(luò)上的噪聲嗎？

　　由于我們了解自己的工作范圍超出了PT-SI的設(shè)計(jì)意圖，因此先從最基本的問題開始——PT-SI能夠計(jì)算模擬網(wǎng)絡(luò)上的噪聲嗎？要回答這個(gè)問題，需要找到獲取噪聲沖擊的命令（report_noise_calculation），然后在模擬網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行嘗試。得出的答案是“可以”，即，PT-SI可以計(jì)算模擬網(wǎng)絡(luò)上的噪聲。然后下一個(gè)問題是：它究竟如何計(jì)算該異步模擬網(wǎng)絡(luò)上的噪聲沖擊？其行為與預(yù)期相同，還是因被干擾網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)而有所不同？

　　3.3.2 PT-SI如何計(jì)算模擬網(wǎng)絡(luò)上的噪聲沖擊？

　　要利用PT-SI計(jì)算模擬網(wǎng)絡(luò)上的噪聲沖擊，需要哪些模型增強(qiáng)功能或額外設(shè)置？PT-SI會(huì)按預(yù)期處理被干擾網(wǎng)絡(luò)上的干擾源，還是將所有干擾源視為異步干擾源（就像干擾會(huì)產(chǎn)生過度糟糕的結(jié)果一樣）？它會(huì)因模擬網(wǎng)絡(luò)由黑盒驅(qū)動(dòng)而忽略作為干擾源的這些模擬網(wǎng)絡(luò)嗎？

　　第一個(gè)問題需要搜索文檔來找到合適的命令。有兩個(gè)命令可用于被干擾網(wǎng)絡(luò)上的驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載引腳。Set_noise_lib_pin或set_steady_state_resistance定義驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度，而set_noise_immunity_curve或set_noise_margin則定義負(fù)載引腳對(duì)所引入噪聲沖擊的容限。盡管并未嚴(yán)格要求定義負(fù)載引腳的容限，但它可提供一種方法來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校驗(yàn)：PT-SI計(jì)算噪聲的余量，結(jié)果可能滿足要求或違反要求（就像時(shí)序校驗(yàn)）——如果噪聲超出限制，便可輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校驗(yàn)。

　　回答第二個(gè)問題需要閱讀更多文檔并進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)。相關(guān)文檔指出，模擬網(wǎng)絡(luò)上的噪聲沖擊應(yīng)按預(yù)期計(jì)算：按時(shí)放置同步數(shù)字干擾源并計(jì)算其影響，隨后添加重疊沖擊來計(jì)算最壞情況下的噪聲沖擊。異步干擾源會(huì)置于最糟糕的點(diǎn)上，其影響也將按預(yù)期添加。

　　實(shí)驗(yàn)大體上證實(shí)了我們的預(yù)期，即噪聲沖擊由大量數(shù)字干擾源組成。令人驚訝的是，盡管如此，仍然存在許多模擬干擾源（包括很多最大的干擾源）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，即使在這些網(wǎng)絡(luò)由黑盒驅(qū)動(dòng)時(shí)：如果已為這些干擾源定義了時(shí)序，PT-SI會(huì)推斷出其輸出上的轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生異步干擾源。此干擾源隨后按預(yù)期進(jìn)行處理，其影響會(huì)按時(shí)置于最糟糕的點(diǎn)上。PT-SI會(huì)自動(dòng)過濾大多數(shù)小干擾源。由于我們希望得到最壞情況下的噪聲沖擊，因此將si_filter_per_aggr_noise_peak_ratio和si_filter_accum_aggr_noise_peak_ratio變量設(shè)置為0，從而使PT-SI的分析中包含所有干擾源。

　　3.4 遇到的挑戰(zhàn)

　　我們在研究早期遇到的一個(gè)問題是set_noise_lib_pin無法對(duì)雙向端口起作用，而所關(guān)注網(wǎng)絡(luò)上的許多引腳的模型都是雙向引腳。當(dāng)模型尚不具備模擬網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)細(xì)節(jié)時(shí)，這將限制我們使用set_steady_state_resistance。這并非一個(gè)關(guān)鍵問題，但確實(shí)從工具箱中移除了某個(gè)工具。

　　深入分析初步結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)更微妙的問題：當(dāng)這些網(wǎng)絡(luò)之一受到多重驅(qū)動(dòng)時(shí)，PT-SI會(huì)忽略任何標(biāo)注信息并計(jì)算轉(zhuǎn)換，同時(shí)僅發(fā)出隱藏的RC-002警告（“RC-002（警告）：網(wǎng)絡(luò)’%s’僅控制多重驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)’%s’的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器子集，因此無法使用詳細(xì)的RC延時(shí)計(jì)算。”）。這種轉(zhuǎn)換極其糟糕（引起的噪聲沖擊幾乎占示例中總噪聲沖擊的25%），并且根本不會(huì)嘗試讓轉(zhuǎn)換成為現(xiàn)實(shí)——即，set_annotated_transition不起作用。PT-SI會(huì)接受在該干擾源的驅(qū)動(dòng)器上應(yīng)用set_annotated_transition，然后忽略向其發(fā)送的任何值，轉(zhuǎn)而采用內(nèi)部計(jì)算的值。最終，我們使用disconnect_net命令將驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量減少為一個(gè)，并標(biāo)注一個(gè)有干擾性但真實(shí)的轉(zhuǎn)換值，如圖4所示。對(duì)于這種情況，這會(huì)完全消除干擾源的影響。

　　結(jié)論

　　應(yīng)用PT-SI來計(jì)算模擬網(wǎng)絡(luò)上引入的噪聲是可行的，但存在一定限制。這種技術(shù)可自動(dòng)驗(yàn)證敏感模擬網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)定案前是否已充分隔離，也可創(chuàng)造機(jī)會(huì)來提高設(shè)計(jì)的布通率，具體方法是：恢復(fù)先前在關(guān)鍵模擬網(wǎng)絡(luò)附近用于實(shí)現(xiàn)屏蔽或隔離的資源。可在自動(dòng)化流程中引入該分析方法來替代當(dāng)前的特殊方法，新的分析方法有助于確保一次投片成功率。