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深亚微米VLSI电源/地线网络信号完整性主要问题的算法研究

苏浩航  
【摘要】: 随着深亚微米/超深亚微米技术的发展,对高性能、低功耗IC设计的需求与日俱增。高性能、低功耗IC设计的特点使得晶体管特征尺寸越来越小、芯片功能越来越复杂、电源供电电压越来越低。这些新的特点造成电源/地线网络规模巨大且结构复杂,因此电源/地线信号完整性成为当前深亚微米集成电路物理设计中一个引人注目的关键问题。 电源/地线网中的信号完整性问题主要由以下噪声源引起:IR-drop、Ldi/dt-drop、LC振荡、地反弹和电迁移效应,这些效应导致电路开关速度降低,甚至电路功能失效,芯片寿命减短。因此,电源信号完整性的研究对芯片能实现正确的功能有着及其重要的作用:(1)判断芯片中产生逻辑错误或逻辑功能失效的具体位置预测芯片的性能;(2)为版图设计中布局布线的优化奠定基础,提高整个芯片的性能。 目前对电源/地线网络的分析验证主要存在以下困难:(1)电源/地线网络规模巨大,有数百万到上亿个顶点规模,目前现有的专门的分析工具根本不可能完成全芯片的分析;(2)网络存在多个非线性开关器件,导致电源/地线网络为非线性网络,增加了分析的难度;(3)网络中电压和电流的分布依赖于处理器的指令,为动态值。 所以,寻找新的分析方法成为目前电源/地线网络研究的热点。目前,电源/地线网络分析主要是在求解速度、计算精度和CPU占用内存三方面进行折。本课题围绕以下几个方面展开具体工作: 1.在VLSI电源/地线网络物理拓扑结构的基础上,研究了引起电源/地线网络中的信号完整性问题的噪声源和电源/地线网络分析和设计的关键问题,研究了电源/地线网络等效模型的建构。 2.总结了国内外主要的电源/地线网络的分析方法并且比较了各种方法的优缺点,可求解节点数和计算速度等。分析了目前分析电源/地线网络的信号完整性主要的几种方法存在的缺陷。研究了电源/地线网络的压缩和分割的方法,提出了有效的网络压缩的方法,加快分析时的计算速度。 3.研究了电源/地线网络方程组超大规模稀疏矩阵的存储方法,提出采用行索引的一维稀疏存储结构对电源/地线网络的大规模稀疏系数矩阵进行压缩处理,仅存储了系数矩阵中的非零元素,无需存储零元素,减小了内存的需要,提高了计算速度的提高。 4.在压缩存储的基础上,针对网络本身的特点,提出了改进式Krylov-Subspace迭代算法,将BCG与BiCGStab算法引入电源/地线网络的分析中,并取得了很好的计算结果。实验数据表明本文算法适用于分析规模日益增大的微处理器中的电源/地线网络的静态和瞬态的分析。 5.深入研究了随机游走算法在电源/地线网络中的应用,对电源/地线网络进行了静态分析进行了大量的模拟。提出了利用网络的拓扑的特点,将电源/地线网络简化和压缩,加快了超大规模电路的静态分析速度。在瞬态分析中,针对随机游走算法中的缺点,提出部分随机游走方法;根据在电源/地线网络瞬态分析中随机游走算法具有区域特性,提出分块计算;提出新的游走结束判定方法和提出链表加速方法。实验结果证明改进随机游走算法完全可以应用于VLSI或ULSI的电源/地线网络的静态的局部分析和瞬态全网分析中。


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