中视一号芯片的电源网络设计和分析.pdf

2005年11月 第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议 珠海 中视一号芯片的电源网络设计和分析 许伟12，郑国祥2，任俊彦1 (1．复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室，上海200433； 2．复旦大学材料科学系，上海200433) 摘要：压降是VLSI中的重要设计指标，“中视一号”数字电视地面传输芯片规模大， 设计复杂度高，传统的电源网络分析方法耗时且不适于在floorplan阶段分析，使得电 源网络设计周期过长。本文提出了一种在floorplan阶段的快速电源网络分析方法，用 于“中视一号”芯片的设计。设计结果显示，该方法精度高且速度快，能快速验证电源 网络设计，减少设计周期。 关键字；Floorplan，电源网络，电压降 1．引言 随着半导体工艺技术的进步，金属连线的宽度越来越小，长度越来越大，导致了电 源连线上电阻随之增大；与此同时，为了解决功耗问题，降低了芯片的电源电压，这使 得电压降(IRdrop)成为了VLSI设计中的一个重要问题。电源网络的功能是将电流从 芯片的电源PAD供给到每个单元，由于电源网络上电压降的存在，使得器件的供电电压 不再是理想参考电压，这大大削弱了器件的驱动能力，降低了电路速度，减少了噪声容 限。通常认为，供电电压降低5％，电路的延迟要增加15％以上∞。，电压降一般推荐控制 在10％以内¨。。因此在VLSI设计中，电压降已经成为一个重要的设计指标，可靠的电源 distribution 分布网(power network)的设计已经成为VLSI设计成功与否的关键因素 之一。 图l给出的是现在VLSI中常用的电源网络结构。在芯片的核心区域(core)和PAD 之间有一圈电源环(powerring)，在电源布线的金属层上每隔一定的间隔做一个电源的 trunk)，交叉的金属连线通过通孔(via)相连，这样最终形成一个上下多 分支(power 层纵横交错的网状结构，这样一个网状(mesh)的电源分布网称为电源网络(powergrid)。 在芯片内部可能有各式各样的宏单元(Macro)，其它区域则放置标准单元。为了达到IR drop的设计指标，“中视一号”芯片数字电视地面传输协议采用三层金属纵横交错的电 源网络，减小金属连线上的电压损耗。 VSS VDD PAD PAD VDE VSS PAE PAD source ①current 图1电源网络结构 图2简化的电源网络模型 2005年11月 第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议 珠海 —剖 Floorplan P＆R 、|， Extraction ／Simulation 、L Power Analysis 冬 (a)traditionflow (b)IRdropdrivenflow 图3两种设计流程 由于“中视一号”芯片规模达到上千万个晶体管，设计复杂度高，因此有必要在设 计流程中尽可能早的阶段发现解决电压降问题。现在大多数设计流程都是在这个芯片设 计已经完成后，获得详细的版图信息，结合电流信息，再进行电压降分析，如图3(a)。 但是，在版图完成之后，很难再对芯片的电源网络进行修改。Yim