eng
Выпуск #4/2015
Д.Радченко
Современные САПР Synopsys – новые возможности для традиционных технологий
Современные САПР Synopsys – новые возможности для традиционных технологий
Просмотры: 2998
О новых методологиях и инструментах проектирования компании Synopsys, которые позволяют достичь высокого качества разработки при создании современных систем-на-кристалле на базе традиционных технологических процессов.
Теги: cad design tools logical synthesis technological node topology verification верификация инструменты проектирования логический синтез сапр технологический уровень топология
Традиционные технологии:
шанс на долгую жизнь
Каждый технологический процесс проходит определенные стадии жизненного цикла: разработка, внедрение, рост, достижение максимального уровня развития, спад и постепенный уход с рынка. Анализ жизненных циклов позволяет увидеть, на каких технологических уровнях сегодня выполняется наибольшее число новых разработок интегральных схем (ИС).
Компания IBS провела исследование, посвященное технологиям, используемым в новых разработках ИС и СнК с 2000 по 2015 год, и сделала прогноз развития полупроводниковых технологий на период до 2020 года. Согласно результатам этого исследования, на сегодняшний день до 90% всех новых разработок выполняется с применением проектных норм 180, 150, 130 и 65 нм (рис.1). Процессы с нормами 45/40, 32 и 28 нм находятся на стадии роста. Новейшие процессы с проектными нормами 22/20 нм и 14 нм переживают этап начального внедрения в серийное производство.
Следует отметить, что при переходе на технологии с проектными нормами менее 20 нм компании-разработчики микросхем столкнулись с новой тенденцией. Если до этого с появлением каждого нового технологического уровня росла производительность ИС и одновременно снижалась удельная стоимость вентиля, то при достижении уровня 20 нм дальнейшее уменьшение себестоимости приостановилось (рис.2). Это связано с существенным ростом сложности производства. В частности, для фотолитографии с разрешением 20 нм и менее необходимо использовать технологию двойного экспонирования, что требует дополнительных фотошаблонов. В результате, у многих компаний возникли трудности с переходом на технологический уровень ниже 20 нм. Соответственно, замедлился рост числа новых разработок на базе 22/20/14-нм технологий (см. рис.1).
Многие отраслевые аналитики прогнозируют, что в результате снижения темпов внедрения новых процессов, технологии с проектными нормами 130/90 и 65/40-нм будут иметь длительный жизненный цикл. По всей видимости, такая же тенденция позднее будет наблюдаться и в отношении 32/28-нм процессов. Вместе с тем, требования потребителей к изделиям микроэлектроники продолжают расти. Как их обеспечить?
До недавнего времени создание перспективных решений в области микроэлектроники означало проектирование микросхем только под новейшие технологические процессы. Отчасти эта тенденция сохраняется, прежде всего, для наиболее массовых приложений, требующих наивысшей производительности и минимального энергопотребления. Яркий тому пример – комплекты ИС для мобильных устройств или персональных компьютеров.
В то же время, сегодня большие перспективы открываются и при разработках под технологические процессы, которые уже некоторое время присутствуют на рынке. Технологические процессы с проектными нормами 40/65-нм достигли сегодня высокого уровня качества и выхода годных СБИС, внедрены на множестве полупроводниковых производств, поэтому в рамках данной статьи будем называть такие технологии "традиционными". Их применение для перспективных разработок открывает сегодня массу перспектив.
Ведь кроме технологического процесса, понятие "перспективной разработки" включает в себя и другие составляющие – например, схемотехнические решения, оптимальность топологии, комбинацию используемых IP-блоков и т. п. Так, на основе хорошо отработанной 65-нм технологии можно создать чип, сочетающий в себе самые передовые характеристики и высокий уровень надежности. Причем стоимость его будет значительно ниже, чем у функционально аналогичного изделия, изготовленного по 22-нм процессу.
Спектр приложений, в которых используют ИС на базе традиционных технологий, весьма широк – от автомобильных и медицинских систем до Интернета вещей. При всем различии требований к таким системам, ИС для данных приложений строятся на основе множества общих принципов. Как правило, эти СБИС могут содержать один или несколько процессоров, блоки обработки и анализа сигналов, преобразователи сигналов, аналоговые интерфейсные IP-блоки, энергонезависимую память и, возможно, МЭМС-датчики. Во многих СнК используются блоки цифровой обработки сигналов, например в приложениях для глобальных навигационных спутниковых систем, обработки видео или повышения качества звука в слуховых аппаратах. Причем микросхемы для управления двигателем, коробкой передач, подвеской, тормозной системой и другими агрегатами автомобиля работают в условиях вибрации и повышенных температур, а напряжение питания может изменяться в пределах от одного до нескольких десятков вольт. Общей задачей при проектировании таких систем является уменьшение занимаемой кристаллом площади и повышение его энергоэффективности, что позволяет увеличить срок службы батарей в портативных устройствах или снизить нагрузку на аккумулятор в автомобильных приложениях.
Достижение высоких характеристик СБИС возможно только при использовании наиболее совершенных методологий и инструментов проектирования. Прогресс в микроэлектронике затрагивает не только технологии производства интегральных схем. Инструменты проектирования совершенствуются одновременно с ним и зачастую опережая его. Современные САПР позволяют спроектировать изделие, характеристики которого считались недостижимыми еще несколько лет назад, в рамках той же самой технологии. Сегодня на рынке доступны методологии и инструменты проектирования, разработанные для новейших технологических процессов, но позволяющие достичь нового качества результатов проектирования и для традиционных процессов.
По сути, применение современных средств САПР для создания ИС с проектными нормами 40/65-нм и более позволяет достичь ряда характеристик, сопоставимых с характеристиками ИС с меньшими проектными нормами. При этом затраты на производство 65-нм кристаллов будут значительно ниже затрат на запуск производства СБИС по 22-нм процессу.
Таким образом, для ИС на основе традиционной технологии ключевым фактором становится уровень проектных решений. Именно он во многом обеспечивает конкурентные преимущества создаваемого изделия. Поэтому разработчики таких ИС не в меньшей, а иногда и в большей степени нуждаются в самых современных средствах САПР, позволяющих максимально использовать все возможности технологического процесса.
Инструменты проектирования ИС
для передовых и традиционных технологий. Платформа Galaxy
Прежде всего, решающее значение имеет интеграция инструментов проектирования в связанный единой методологией маршрут, построенный на единой платформе. Возможность проводить детальный анализ и оптимизацию различных параметров проекта в рамках интегрированного процесса проектирования помогает обнаружить потенциальные проблемы на ранних этапах разработки ИС. Например, все задачи проектирования могут быть решены в рамках платформы проектирования Galaxy от компании Synopsys.
Платформа Galaxy (Galaxy Design Platform) – это комплекс инструментов, интегрированных в единую среду проектирования. Они служат как для создания СБИС на основе библиотечных элементов, так и для разработки полностью заказных схем. Galaxy позволяет проводить разработку аналоговых, цифровых или смешанных схем от уровня регистровых передач (RTL) или уровня принципиальной электрической схемы до уровня топологии GDSII[1]. Маршрут проектирования на базе платформы Galaxy включает в себя логический синтез вентильного представления, разработку и верификацию топологии, экстракцию паразитных параметров, а также временной, статический и формальный анализ проектов. Для заказных блоков предусмотрена возможность создания принципиальной электрической схемы и топологии на уровне транзисторов, моделирование схемы и экстракцию паразитных параметров. В состав платформы Galaxy входят такие инструменты, как Design Compiler, IC Compiler, IC Validator, Galaxy Custom Router, Custom Designer, HSPICE, Star-RC, PrimeTime и др. (рис.3).
Design Compiler (DC) – это инструмент синтеза логических схем, оптимизации энергопотребления и занимаемой площади. Он также позволяет интегрировать в схему специальные логические элементы для формирования путей сканирования, необходимых при производственном контроле годности ИС. Для проектирования топологии используется инструмент IC Compiler, обеспечивающий планировку кристалла, размещение элементов и блоков, синтез деревьев тактовых синхросигналов, оптимизацию целого ряда физических параметров, направленную на повышение уровня выхода годных ИС и т. д. За анализ временных характеристик и целостности сигналов отвечает инструмент PrimeTime. В состав платформы Galaxy входит также инструмент Custom Designer, который используется для проектирования заказных решений, в том числе – для проектирования электрических принципиальных схем (Custom Designer Schematic Editor) и топологии (Custom Designer Layout Editor). Он тесно интегрирован с инструментом проектирования топологии IC Compiler и средствами схемотехнического моделирования HSPICE. Физическую верификацию проекта и экстракцию паразитных RC-параметров можно выполнять с помощью таких инструментов, как IC Validator и StarRC. Во всех инструментах реализованы наиболее современные методы и алгоритмы проектирования, которые позволяют создать оптимизированные решения для использования в изделиях на базе традиционных технологий. Рассмотрим лишь некоторые из них.
Оптимизация площади ИС
При проектировании ИС, наряду с достижением требуемого быстродействия, большое значение имеет минимизация площади кристалла. Это необходимо для обеспечения высокого уровня выхода годных схем и снижения их себестоимости. Соответственно, инструменты САПР должны обеспечить оптимизацию размещения блоков и эффективное использование трассировочных ресурсов кристалла. Инструмент Design Compiler Graphical (DC Graphical) в процессе логического синтеза позволяет проводить структурную оптимизацию логической схемы для уменьшения плотности трассировки, чтобы более эффективно использовать доступную площадь кристалла. Это важно, поскольку на последующем этапе при размещении и трассировке компонентов, снижение плотности трассировки может быть затруднено или окажется невозможно.
DC Graphical определяет участки схемы с высокой плотностью трассировки, которые могли возникнуть как по причине неоптимальной компоновки кристалла, так и в силу громоздкой структуры логических элементов с множеством межсоединений (причиной последнего, как правило, является структура исходного RTL-описания).
В инструменте DC Graphical имеется возможность перекрестного анализа различных представлений проекта (топологического, списка цепей и RTL). Можно проследить выбранную цепь на электрической схеме, в топологии и в RTL-описании и проанализировать параметры данной цепи (рис.4). Это позволяет, в том числе, идентифицировать ту часть RTL-описания проекта, которая является источником повышенной плотности трассировки, и при необходимости внести в нее изменения. Однако в большинстве случаев делать этого не нужно, так как в DC Graphical реализован алгоритм, который автоматически выбирает оптимальные с точки зрения трассировки конфигурации логических элементов и структур их построения и генерирует список цепей с уменьшенной плотностью трассировки (рис.5).
Кроме того, DC Graphical идентифицирует совместно используемые логические схемы и реструктурирует их так, чтобы минимизировать требуемые ресурсы трассировки. Данный алгоритм позволяет решить проблему трассировки сигналов, которые используются по всему блоку или даже кристаллу, например адресных линий дешифратора (рис.6). Алгоритмы, реализованные в DC Graphical, позволяют вносить изменения в список цепей с минимальным влиянием на параметры быстродействия, уменьшая занимаемую схемой площадь и ее энергопотребление. DC Graphical передает все результаты выполненной оптимизации и сформированное размещение элементов в инструмент IC Compiler, который окончательно оптимизирует межсоединения в процессе проектирования топологии кристалла (рис.7).
Снижение энергопотребления
Кроме уменьшения площади, важной задачей является снижение энергопотребления кристалла. Для этого в платформе Galaxy применяются специальные технологии и алгоритмы, в том числе усовершенствованные алгоритмы управления тактовыми сигналами, оптимальное использование логических элементов с различными пороговыми напряжениями, поддержка отключаемых доменов и доменов с различными напряжениями питания, ряд других методов энергосбережения.
Для снижения динамической мощности на вентильном уровне в процессе логического синтеза могут быть введены специальные элементы управления тактовыми сигналами. Они позволяют исключить работу определенных частей логических схем в холостом режиме (например, когда не нужно менять их логические состояния в каждом рабочем цикле). Кроме того, в некритичных по быстродействию цепях возможна замена более мощных логических элементов на менее мощные.
Для снижения динамической мощности используется также механизм минимизации длины так называемых "активных" проводников, по которым передаются сигналы с высокой переключательной активностью (рис.8). Это позволяет не только уменьшить динамическую мощность, но и улучшить точность оценки энергопотребления в процессе синтеза.
Для снижения статического энергопотребления (токов утечки) в инструментах DC Graphical и IC Compiler реализован алгоритм, благодаря которому минимизировано использование логических элементов с низким пороговым напряжением. Согласно этому алгоритму при синтезе цепей по умолчанию используются логические элементы с высоким пороговым напряжением, а более быстрые, но обладающие более высокими токами утечки элементы с низким пороговым напряжением, используются только в том случае, когда нет другой возможности обеспечить требования по быстродействию.
Кроме того, при помощи спецификации в формате UPF (IEEE 1801) предусмотрена возможность введения специальных элементов управления электропитанием всего кристалла. Разработчики могут определять на кристалле блоки (домены) с различными величинами напряжения питания и разрешенные состояния в этих доменах (определять правила для выключения, включения, сохранения состояния системы). Все это автоматически учитывается инструментом DC Graphical при логическом синтезе и инструментом IC Compiler при создании планировки и топологии кристалла.
Дополнительная топологическая оптимизация
Еще одна возможность, которой обладают инструменты платформы Galaxy, – умение учитывать различные значения сопротивлений слоев металлизации при разводке кристаллов. В платформе Galaxy применяется технология Layer Optimization, которая учитывает различное сопротивление верхних и нижних слоев металлизации в процессах оптимизации логической схемы, а также глобальной и детальной трассировки. Этот алгоритм позволяет разводить критичные с точки зрения быстродействия цепи в верхних слоях металлизации с меньшим сопротивлением.
Кроме того, DC Graphical оценивает величину сопротивления переходных отверстий, чтобы повысить точность расчета быстродействия схемы и обеспечить лучшую корреляцию результатов логического синтеза и пост-топологического анализа (с помощью PrimeTime). Последнее достигается за счет использования обоими инструментами одинаковых алгоритмов размещения элементов и глобальной трассировки (Zroute). Предварительное размещение элементов, полученное в результате логического синтеза в DC Graphical, передается в IC Compiler для дальнейшего проектирования топологии.
Часто даже в полностью цифровых системах возникает необходимость выровнять небольшие группы проводников по длине и сопротивлению, например при разводке сигналов от выходных буферов DDR до макро-ячеек приема/передачи данных и управления протоколом обмена. Иногда нужно вручную создать фрагмент топологии с определенным взаиморасположением нескольких ячеек и проводников и повторить (клонировать) этот фрагмент несколько раз. Для решения подобных задач удобно использовать инструмент Galaxy Custom Router, тесно интегрированный с IC Compiler и имеющий с ним общую базу данных. Galaxy Custom Router позволяет быстро и удобно провести необходимую работу с топологией, а затем сохранить этот проект для дальнейшего проектирования топологии в инструменте IC Сompiler.
* * *
Мы рассмотрели лишь некоторые возможности инструментов платформы Galaxy, позволяющие добиться высоких результатов и качества проектирования. Рынок микроэлектронных устройств, которые производятся с использованием традиционных технологий, сегодня растет. И современные инструменты САПР позволяют существенно расширить возможности ИС, созданных на основе этих технологий. Это открывает перед разработчиками новые перспективы, поскольку широкий спектр изделий теперь можно спроектировать и изготовить не только на основе самых передовых технологических процессов, но и с использованием гораздо более доступных традиционных технологий, добиваясь нужного результата на этапе проектирования с помощью САПР Synopsys.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bollar Mark. The new landscape of advanced design. [Электронный ресурс] URL:www.techdesignforums.com.
2. Bollar Mark. Are advanced designs only possible at emerging process nodes? [Электронный ресурс] URL:www.techdesignforums.com.
3. Casale-Rossi Marco. Automotive ICs drive advanced design at established nodes. [Электронный ресурс] URL:www.techdesignforums.com.
4. Collins Luke. Synopsys claims latest Design Compiler shrinks existing netlist area, leakage up to 10%. [Электронный ресурс] URL:www.techdesignforums.com.
шанс на долгую жизнь
Каждый технологический процесс проходит определенные стадии жизненного цикла: разработка, внедрение, рост, достижение максимального уровня развития, спад и постепенный уход с рынка. Анализ жизненных циклов позволяет увидеть, на каких технологических уровнях сегодня выполняется наибольшее число новых разработок интегральных схем (ИС).
Компания IBS провела исследование, посвященное технологиям, используемым в новых разработках ИС и СнК с 2000 по 2015 год, и сделала прогноз развития полупроводниковых технологий на период до 2020 года. Согласно результатам этого исследования, на сегодняшний день до 90% всех новых разработок выполняется с применением проектных норм 180, 150, 130 и 65 нм (рис.1). Процессы с нормами 45/40, 32 и 28 нм находятся на стадии роста. Новейшие процессы с проектными нормами 22/20 нм и 14 нм переживают этап начального внедрения в серийное производство.
Следует отметить, что при переходе на технологии с проектными нормами менее 20 нм компании-разработчики микросхем столкнулись с новой тенденцией. Если до этого с появлением каждого нового технологического уровня росла производительность ИС и одновременно снижалась удельная стоимость вентиля, то при достижении уровня 20 нм дальнейшее уменьшение себестоимости приостановилось (рис.2). Это связано с существенным ростом сложности производства. В частности, для фотолитографии с разрешением 20 нм и менее необходимо использовать технологию двойного экспонирования, что требует дополнительных фотошаблонов. В результате, у многих компаний возникли трудности с переходом на технологический уровень ниже 20 нм. Соответственно, замедлился рост числа новых разработок на базе 22/20/14-нм технологий (см. рис.1).
Многие отраслевые аналитики прогнозируют, что в результате снижения темпов внедрения новых процессов, технологии с проектными нормами 130/90 и 65/40-нм будут иметь длительный жизненный цикл. По всей видимости, такая же тенденция позднее будет наблюдаться и в отношении 32/28-нм процессов. Вместе с тем, требования потребителей к изделиям микроэлектроники продолжают расти. Как их обеспечить?
До недавнего времени создание перспективных решений в области микроэлектроники означало проектирование микросхем только под новейшие технологические процессы. Отчасти эта тенденция сохраняется, прежде всего, для наиболее массовых приложений, требующих наивысшей производительности и минимального энергопотребления. Яркий тому пример – комплекты ИС для мобильных устройств или персональных компьютеров.
В то же время, сегодня большие перспективы открываются и при разработках под технологические процессы, которые уже некоторое время присутствуют на рынке. Технологические процессы с проектными нормами 40/65-нм достигли сегодня высокого уровня качества и выхода годных СБИС, внедрены на множестве полупроводниковых производств, поэтому в рамках данной статьи будем называть такие технологии "традиционными". Их применение для перспективных разработок открывает сегодня массу перспектив.
Ведь кроме технологического процесса, понятие "перспективной разработки" включает в себя и другие составляющие – например, схемотехнические решения, оптимальность топологии, комбинацию используемых IP-блоков и т. п. Так, на основе хорошо отработанной 65-нм технологии можно создать чип, сочетающий в себе самые передовые характеристики и высокий уровень надежности. Причем стоимость его будет значительно ниже, чем у функционально аналогичного изделия, изготовленного по 22-нм процессу.
Спектр приложений, в которых используют ИС на базе традиционных технологий, весьма широк – от автомобильных и медицинских систем до Интернета вещей. При всем различии требований к таким системам, ИС для данных приложений строятся на основе множества общих принципов. Как правило, эти СБИС могут содержать один или несколько процессоров, блоки обработки и анализа сигналов, преобразователи сигналов, аналоговые интерфейсные IP-блоки, энергонезависимую память и, возможно, МЭМС-датчики. Во многих СнК используются блоки цифровой обработки сигналов, например в приложениях для глобальных навигационных спутниковых систем, обработки видео или повышения качества звука в слуховых аппаратах. Причем микросхемы для управления двигателем, коробкой передач, подвеской, тормозной системой и другими агрегатами автомобиля работают в условиях вибрации и повышенных температур, а напряжение питания может изменяться в пределах от одного до нескольких десятков вольт. Общей задачей при проектировании таких систем является уменьшение занимаемой кристаллом площади и повышение его энергоэффективности, что позволяет увеличить срок службы батарей в портативных устройствах или снизить нагрузку на аккумулятор в автомобильных приложениях.
Достижение высоких характеристик СБИС возможно только при использовании наиболее совершенных методологий и инструментов проектирования. Прогресс в микроэлектронике затрагивает не только технологии производства интегральных схем. Инструменты проектирования совершенствуются одновременно с ним и зачастую опережая его. Современные САПР позволяют спроектировать изделие, характеристики которого считались недостижимыми еще несколько лет назад, в рамках той же самой технологии. Сегодня на рынке доступны методологии и инструменты проектирования, разработанные для новейших технологических процессов, но позволяющие достичь нового качества результатов проектирования и для традиционных процессов.
По сути, применение современных средств САПР для создания ИС с проектными нормами 40/65-нм и более позволяет достичь ряда характеристик, сопоставимых с характеристиками ИС с меньшими проектными нормами. При этом затраты на производство 65-нм кристаллов будут значительно ниже затрат на запуск производства СБИС по 22-нм процессу.
Таким образом, для ИС на основе традиционной технологии ключевым фактором становится уровень проектных решений. Именно он во многом обеспечивает конкурентные преимущества создаваемого изделия. Поэтому разработчики таких ИС не в меньшей, а иногда и в большей степени нуждаются в самых современных средствах САПР, позволяющих максимально использовать все возможности технологического процесса.
Инструменты проектирования ИС
для передовых и традиционных технологий. Платформа Galaxy
Прежде всего, решающее значение имеет интеграция инструментов проектирования в связанный единой методологией маршрут, построенный на единой платформе. Возможность проводить детальный анализ и оптимизацию различных параметров проекта в рамках интегрированного процесса проектирования помогает обнаружить потенциальные проблемы на ранних этапах разработки ИС. Например, все задачи проектирования могут быть решены в рамках платформы проектирования Galaxy от компании Synopsys.
Платформа Galaxy (Galaxy Design Platform) – это комплекс инструментов, интегрированных в единую среду проектирования. Они служат как для создания СБИС на основе библиотечных элементов, так и для разработки полностью заказных схем. Galaxy позволяет проводить разработку аналоговых, цифровых или смешанных схем от уровня регистровых передач (RTL) или уровня принципиальной электрической схемы до уровня топологии GDSII[1]. Маршрут проектирования на базе платформы Galaxy включает в себя логический синтез вентильного представления, разработку и верификацию топологии, экстракцию паразитных параметров, а также временной, статический и формальный анализ проектов. Для заказных блоков предусмотрена возможность создания принципиальной электрической схемы и топологии на уровне транзисторов, моделирование схемы и экстракцию паразитных параметров. В состав платформы Galaxy входят такие инструменты, как Design Compiler, IC Compiler, IC Validator, Galaxy Custom Router, Custom Designer, HSPICE, Star-RC, PrimeTime и др. (рис.3).
Design Compiler (DC) – это инструмент синтеза логических схем, оптимизации энергопотребления и занимаемой площади. Он также позволяет интегрировать в схему специальные логические элементы для формирования путей сканирования, необходимых при производственном контроле годности ИС. Для проектирования топологии используется инструмент IC Compiler, обеспечивающий планировку кристалла, размещение элементов и блоков, синтез деревьев тактовых синхросигналов, оптимизацию целого ряда физических параметров, направленную на повышение уровня выхода годных ИС и т. д. За анализ временных характеристик и целостности сигналов отвечает инструмент PrimeTime. В состав платформы Galaxy входит также инструмент Custom Designer, который используется для проектирования заказных решений, в том числе – для проектирования электрических принципиальных схем (Custom Designer Schematic Editor) и топологии (Custom Designer Layout Editor). Он тесно интегрирован с инструментом проектирования топологии IC Compiler и средствами схемотехнического моделирования HSPICE. Физическую верификацию проекта и экстракцию паразитных RC-параметров можно выполнять с помощью таких инструментов, как IC Validator и StarRC. Во всех инструментах реализованы наиболее современные методы и алгоритмы проектирования, которые позволяют создать оптимизированные решения для использования в изделиях на базе традиционных технологий. Рассмотрим лишь некоторые из них.
Оптимизация площади ИС
При проектировании ИС, наряду с достижением требуемого быстродействия, большое значение имеет минимизация площади кристалла. Это необходимо для обеспечения высокого уровня выхода годных схем и снижения их себестоимости. Соответственно, инструменты САПР должны обеспечить оптимизацию размещения блоков и эффективное использование трассировочных ресурсов кристалла. Инструмент Design Compiler Graphical (DC Graphical) в процессе логического синтеза позволяет проводить структурную оптимизацию логической схемы для уменьшения плотности трассировки, чтобы более эффективно использовать доступную площадь кристалла. Это важно, поскольку на последующем этапе при размещении и трассировке компонентов, снижение плотности трассировки может быть затруднено или окажется невозможно.
DC Graphical определяет участки схемы с высокой плотностью трассировки, которые могли возникнуть как по причине неоптимальной компоновки кристалла, так и в силу громоздкой структуры логических элементов с множеством межсоединений (причиной последнего, как правило, является структура исходного RTL-описания).
В инструменте DC Graphical имеется возможность перекрестного анализа различных представлений проекта (топологического, списка цепей и RTL). Можно проследить выбранную цепь на электрической схеме, в топологии и в RTL-описании и проанализировать параметры данной цепи (рис.4). Это позволяет, в том числе, идентифицировать ту часть RTL-описания проекта, которая является источником повышенной плотности трассировки, и при необходимости внести в нее изменения. Однако в большинстве случаев делать этого не нужно, так как в DC Graphical реализован алгоритм, который автоматически выбирает оптимальные с точки зрения трассировки конфигурации логических элементов и структур их построения и генерирует список цепей с уменьшенной плотностью трассировки (рис.5).
Кроме того, DC Graphical идентифицирует совместно используемые логические схемы и реструктурирует их так, чтобы минимизировать требуемые ресурсы трассировки. Данный алгоритм позволяет решить проблему трассировки сигналов, которые используются по всему блоку или даже кристаллу, например адресных линий дешифратора (рис.6). Алгоритмы, реализованные в DC Graphical, позволяют вносить изменения в список цепей с минимальным влиянием на параметры быстродействия, уменьшая занимаемую схемой площадь и ее энергопотребление. DC Graphical передает все результаты выполненной оптимизации и сформированное размещение элементов в инструмент IC Compiler, который окончательно оптимизирует межсоединения в процессе проектирования топологии кристалла (рис.7).
Снижение энергопотребления
Кроме уменьшения площади, важной задачей является снижение энергопотребления кристалла. Для этого в платформе Galaxy применяются специальные технологии и алгоритмы, в том числе усовершенствованные алгоритмы управления тактовыми сигналами, оптимальное использование логических элементов с различными пороговыми напряжениями, поддержка отключаемых доменов и доменов с различными напряжениями питания, ряд других методов энергосбережения.
Для снижения динамической мощности на вентильном уровне в процессе логического синтеза могут быть введены специальные элементы управления тактовыми сигналами. Они позволяют исключить работу определенных частей логических схем в холостом режиме (например, когда не нужно менять их логические состояния в каждом рабочем цикле). Кроме того, в некритичных по быстродействию цепях возможна замена более мощных логических элементов на менее мощные.
Для снижения динамической мощности используется также механизм минимизации длины так называемых "активных" проводников, по которым передаются сигналы с высокой переключательной активностью (рис.8). Это позволяет не только уменьшить динамическую мощность, но и улучшить точность оценки энергопотребления в процессе синтеза.
Для снижения статического энергопотребления (токов утечки) в инструментах DC Graphical и IC Compiler реализован алгоритм, благодаря которому минимизировано использование логических элементов с низким пороговым напряжением. Согласно этому алгоритму при синтезе цепей по умолчанию используются логические элементы с высоким пороговым напряжением, а более быстрые, но обладающие более высокими токами утечки элементы с низким пороговым напряжением, используются только в том случае, когда нет другой возможности обеспечить требования по быстродействию.
Кроме того, при помощи спецификации в формате UPF (IEEE 1801) предусмотрена возможность введения специальных элементов управления электропитанием всего кристалла. Разработчики могут определять на кристалле блоки (домены) с различными величинами напряжения питания и разрешенные состояния в этих доменах (определять правила для выключения, включения, сохранения состояния системы). Все это автоматически учитывается инструментом DC Graphical при логическом синтезе и инструментом IC Compiler при создании планировки и топологии кристалла.
Дополнительная топологическая оптимизация
Еще одна возможность, которой обладают инструменты платформы Galaxy, – умение учитывать различные значения сопротивлений слоев металлизации при разводке кристаллов. В платформе Galaxy применяется технология Layer Optimization, которая учитывает различное сопротивление верхних и нижних слоев металлизации в процессах оптимизации логической схемы, а также глобальной и детальной трассировки. Этот алгоритм позволяет разводить критичные с точки зрения быстродействия цепи в верхних слоях металлизации с меньшим сопротивлением.
Кроме того, DC Graphical оценивает величину сопротивления переходных отверстий, чтобы повысить точность расчета быстродействия схемы и обеспечить лучшую корреляцию результатов логического синтеза и пост-топологического анализа (с помощью PrimeTime). Последнее достигается за счет использования обоими инструментами одинаковых алгоритмов размещения элементов и глобальной трассировки (Zroute). Предварительное размещение элементов, полученное в результате логического синтеза в DC Graphical, передается в IC Compiler для дальнейшего проектирования топологии.
Часто даже в полностью цифровых системах возникает необходимость выровнять небольшие группы проводников по длине и сопротивлению, например при разводке сигналов от выходных буферов DDR до макро-ячеек приема/передачи данных и управления протоколом обмена. Иногда нужно вручную создать фрагмент топологии с определенным взаиморасположением нескольких ячеек и проводников и повторить (клонировать) этот фрагмент несколько раз. Для решения подобных задач удобно использовать инструмент Galaxy Custom Router, тесно интегрированный с IC Compiler и имеющий с ним общую базу данных. Galaxy Custom Router позволяет быстро и удобно провести необходимую работу с топологией, а затем сохранить этот проект для дальнейшего проектирования топологии в инструменте IC Сompiler.
* * *
Мы рассмотрели лишь некоторые возможности инструментов платформы Galaxy, позволяющие добиться высоких результатов и качества проектирования. Рынок микроэлектронных устройств, которые производятся с использованием традиционных технологий, сегодня растет. И современные инструменты САПР позволяют существенно расширить возможности ИС, созданных на основе этих технологий. Это открывает перед разработчиками новые перспективы, поскольку широкий спектр изделий теперь можно спроектировать и изготовить не только на основе самых передовых технологических процессов, но и с использованием гораздо более доступных традиционных технологий, добиваясь нужного результата на этапе проектирования с помощью САПР Synopsys.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bollar Mark. The new landscape of advanced design. [Электронный ресурс] URL:www.techdesignforums.com.
2. Bollar Mark. Are advanced designs only possible at emerging process nodes? [Электронный ресурс] URL:www.techdesignforums.com.
3. Casale-Rossi Marco. Automotive ICs drive advanced design at established nodes. [Электронный ресурс] URL:www.techdesignforums.com.
4. Collins Luke. Synopsys claims latest Design Compiler shrinks existing netlist area, leakage up to 10%. [Электронный ресурс] URL:www.techdesignforums.com.
Отзывы читателей
