STA - PVT、RC、OCV

本文深入解析PVT(工艺、电压和温度)对芯片延迟的影响,包括工艺变化、电压波动、温度效应及OCV局部变异。了解如何在设计中考虑这些变量以实现准确的定时分析。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

PVT

        PVT是工艺、电压和温度的缩写。为了让我们的芯片在所有可能的条件下工作,比如在锡亚琴冰川-40°C和撒哈拉沙漠60°C,我们模拟了IC在制造后可能面临的不同过程、电压和温度的条件。这些条件称为corner。这三个参数都影响到cell的延时。我们将详细地讨论每个参数及其对延迟的影响。

Process:

        工艺变化是指晶体管在制造过程中属性的偏差。

        在裸片die制造过程中,die的中心和边界处的区域可能会有不同的工艺变化。这是因为将被制造的层不能在整个模具上是均匀的。过程变化是渐进的。它不能突然。不同技术的工艺差异不同,但在低节点技术(<65nm)中工艺差异更大。

以下是几个可能导致工艺变化的重要因素:

  1. 紫外光的波长
  2. 制造缺陷

工艺变化的影响如下:

  1. 氧化层厚度变化
  2. 参杂率和迁移率波动
  3. 晶体管的宽度、长度等
  4. RC变异

这些变化将导致阈值电压等参数不等于期望值。阈值电压取决于氧化物厚度、源-衬底电压、注入杂质。cell的延时和工艺关系如下图所示。

Voltage: 

        随着工艺越来越先进,超深亚微米工艺节点下芯片的供电电压越来越低。假设芯片以0.75V的电压工作。在芯片工作时有可能在特定的时间电压会发生变化。可以达到0.675V或0.825V。为了覆盖这个场景,我们考虑电压变化。

        电源电压波动的一个重要原因是IR Drop。沿着电源网络电源被分配到芯片上的所有晶体管上。在整个芯片中,电源不是恒定的,它会随着cell的放置而变化。电源网络是由金属构成的,金属有自己的电阻和电容。因此,在电源网沿线有一个电压降。由于金属电阻的变化,所有标准电池和宏电路到达电源引脚的电源电压并不相同。考虑有两个cell,一个放置在直流电源附近,另一个放置在远的地方。由于越远的cell的互连线长度越长,它的电阻越大,导致IR降越高,从而降低了到达最远cell的供电电压。由于电压较低,这个cell比放置在更近的cell需要更多的延迟来上电。如果更近的cell得到更高的电压,那么cell更快,因此传播延迟也减少。这也是为什么在晶体管上有不同的延迟。cell的延迟取决于饱和电流,cell的饱和电流取决于电压。因此电压影响了一个单元的传播延迟。电源线路的自感也会造成电压降。例如,当一个晶体管切换到高电压时,它用电流给输出负载充电。这种时变电流(在短时间内)会产生相反的自感电动势。电压降的幅值为V=L*dI/dt,其中L为自感,I为通过线路的电流。

        IR Drop是由电流流过电源网络的寄生电阻引起的。IR Drop降低了芯片工作的必要电压值。

        电压变化的第二个重要原因是由寄生电感与电阻和电容结合引起的电源噪声。通过寄生电感的电流引起电压跳变。这两种效应一起不仅会导致电压下降,而且还会导致电压超调。

        任何芯片工作的电源电压都是外部提供的。它可以来自直流电源或一些电压调节器。电压调节器不会在一段时间内提供相同的电压,它可以高于或低于预期电压,因此它将导致电流变化,使电路比以前更快或更慢。

        由于所有这些因素,我们必须考虑电压的变化。图2显示了电源电压与延迟的关系。

Temperature: 

        晶体管密度在整个芯片上是不均匀的。芯片的一些区域有更高的密度和更高的翻转,因此这部分会导致更高的功耗,而芯片的有些区域有较低的密度和较低的翻转,该区域具有较低的功耗。因此芯片某些区域的结温可能更高或更低,这取决于晶体管在该区域的密度。由于整个芯片的温度变化,它会在所有的晶体管中引入不同的延迟。这里讨论的温度变化是关于结的,而不是环境温度。芯片内部接点的温度变化范围可能很大,所以需要考虑温度变化。cell的延迟随着温度的升高而增加。但并非所有技术节点都是如此。对于深亚微米技术,这种行为是相反的。这种现象叫做逆温。

        温度反转:延迟取决于输出电容和ID电流(与Cout成正比,与ID成反比)。当温度升高时,延迟也会增加(由于载流子浓度和迁移率的变化)。但当温度降低时,亚微米技术的延迟变化表现出不同的特征。对于小于65nm的技术节点,延迟随着温度的降低而增加,在-40℃时达到最大。这种现象被称为“逆温”。

 

        为什么会发生逆温?

        随着温度的升高,迁移率和阈值电压开始下降。延迟与迁移率成反比,与阈值电压成正比。

        因此,机动性和阈值电压的综合影响决定了延迟的大小。

        考虑MOSFET电流方程可以更好地理解;

 

        在较高的技术节点中,电源电压很高,(VGS - VTh)值较大时,VTh的影响很小。因此,流动性在决定潮流方面起着重要作用。因此,在较高的技术节点上,当温度升高时,迁移率降低,从而导致延迟增加。

        在较低的技术节点(具体来说,小于65nm),电源电压非常低,因此(VGS - VTh)差很小,该值的平方非常小,导致ID电流减少,在较低的温度下增加延迟。在高于65nm的另一端,较低温度下延迟减小。

RC Variation

        待续。。。

OCV

On Chip Variation(OCV)

Variations 分为两种:

1. Globle Variations:

        这些是PVT Variations,取决于外部因素,如过程,电源电压和温度。芯片是成批制造的,因此会呈现出die之间的差异。有些表现为strong process (fast switching) 和 weak process (slow switching)。这些被称为芯片间(inter-chip)的variations。

2. Local Variations:

        Local Variations也是PVT的变化,但这些是芯片内部(intra-chip)的variations,称为OCV。

        Process:

        一个芯片中的所有晶体管不可能具有相同的工艺。由于掩模印刷、蚀刻等制造过程中的缺陷,通道长度、氧化物厚度、掺杂浓度、金属厚度等可能会发生变化。

        Voltage:

        到达电源引脚的电源电压对所有standard cell来说都不一样。电源网络都具有有限的电阻。考虑两个cell,一个放得近一些,另一个放得远一些,越远的单元 cell 的互连长度越大,它的电阻就越大,从而导致更高的IR Drop,从而降低到达cell的供电电压。由于电压较低,这个cell比放置较近的cell有更多的延迟。

        Temperature:

        芯片内的晶体管密度是不均匀的。芯片的某些区域具有更高的密度和更高的开关,从而产生更高的功耗。因此,这些区域的结温较高,形成局部热点。整个芯片温度的 Variation 会导致不同的延迟。

        如何在分析Timing时将这些 Variations 考虑在内? Derate

        由于 OCV,一些 cell 的延时可能比预期的快或慢。如果不考虑这些 Variations,结果可能是悲观的,并可能导致 setup 或 hold 违规。为了模拟这些 Variations,我们引入了derates。

        待续。。。

<think>嗯,用户问的是关于时钟树综合中latency和skew如何平衡的问题。首先,我需要回顾一下之前的对话历史,确保这次回答能连贯一致。之前用户问过CTS中如何通过约束来平衡skew,现在他们可能想更深入理解latency和skew之间的关系以及如何权衡两者。 首先,latency指的是时钟信号从源端到终端的传播时间总和,而skew是不同终端之间的时钟到达时间差异。用户可能在实际设计中遇到了如何调整两者以达到最佳性能的问题。他们可能想知道在优化时,如何不牺牲太多latency的情况下减少skew,或者反过来。 接下来,我需要考虑用户的身份。可能是数字设计工程师,或者是正在学习物理设计的学生。如果是工程师,他们可能需要实用的方法,比如约束设置、工具命令、设计策略等。而学生可能需要更基础的概念解释和平衡策略的理论。 用户的需求可能包括了解latency和skew的基本概念、它们的相互影响,以及实际设计中如何平衡两者的具体方法。深层需求可能是如何在面积、功耗和时序之间找到平衡点,因为优化latency和skew可能会影响其他设计指标。 需要确保回答结构清晰,分点说明,结合之前的回答中的约束方法,比如最大/最小延迟、目标延迟、过渡时间等,以及如何通过这些约束来平衡两者。同时,可能需要举例说明不同应用场景下的权衡策略,比如高性能设计更关注skew,低功耗设计接受一定skew以降低latency。 还要注意使用用户提到的格式要求,比如行内公式用$...$,独立公式用$$...$$,并且用中文回答。需要检查是否有遗漏的约束类型,或者是否有更优的组织方式让信息更易懂。 最后,可能需要补充实际设计流程中的操作步骤,比如在SDC中设置约束,CTS阶段的工具优化,以及签核验证的方法,帮助用户将理论应用到实践中。同时,强调两者平衡的动态性和折中性,避免用户误以为可以完全消除其中一方。</think>在时钟树综合(CTS)中,**Latency(延迟)**和**Skew(偏差)**的平衡是核心挑战之一。以下是两者的定义、矛盾关系及平衡策略: --- ### **1. 基本概念** | **指标** | **定义** | **公式** | **影响** | |----------------|--------------------------------------------------------------------------|-----------------------------------|-----------------------------------| | **Latency** | 时钟信号从根节点(Clock Source)到叶子节点(Flip-Flop)的总传播时间 | $$ t_{\text{latency}} = \sum_{i=1}^n t_{\text{buffer}_i} + t_{\text{wire}_i} $$ | 功耗↑、时序收敛难度↑ | | **Skew** | 不同叶子节点之间的最大时钟到达时间差 | $$ \text{Skew} = \max(t_{\text{arrival},i}) - \min(t_{\text{arrival},j}) $$ | 时序违例(Setup/Hold)、功能错误 | --- ### **2. Latency与Skew的冲突** - **矛盾本质**: 为了降低Skew,通常需要插入更多缓冲器(Buffer)或调整走线长度,但这会增加Latency;反之,若过度压缩Latency(如减少缓冲层级),可能导致分支延迟差异扩大,Skew恶化。 **示例**: - **低Latency设计**:直接驱动长走线 → 驱动能力不足 → 不同分支的延迟差异(Skew)增大。 - **低Skew设计**:插入大量缓冲器平衡路径 → 总Latency增加 → 动态功耗上升。 --- ### **3. 平衡策略** #### **(1) 分层优化法** - **步骤**: 1. **全局平衡**:优先通过 **对称结构(H-tree/X-tree)** 和 **负载匹配** 减少Skew。 ```tcl set_clock_tree_options -structure symmetric # 强制对称结构 ``` 2. **局部优化**:在关键路径上允许适度Latency增加,以补偿Skew。 ```tcl set_clock_tree_exceptions -float_pin_allowance 0.1ns # 局部路径容忍额外延迟 ``` #### **(2) 约束协同设置** - **联合定义Latency与Skew边界**: ```tcl # 限制总Latency不超过时钟周期的60%(假设周期为2ns) set_clock_tree_options -max_delay 1.2ns -min_delay 0.8ns # 目标Skew不超过50ps set_clock_tree_options -target_skew 0.05ns ``` - **动态权衡**:工具(如Cadence Innovus)会根据约束优先级自动优化: - **高频率设计**:优先满足Skew约束,牺牲Latency。 - **低功耗设计**:允许一定Skew,优先压缩Latency。 #### **(3) 缓冲器与驱动优化** - **缓冲器插入策略**: - **平衡驱动强度**:在负载较大的分支插入高驱动缓冲器,减少延迟差异。 ```tcl set_buffer_type -type CLKBUF_HS -for_clock # 指定高驱动缓冲器类型 ``` - **缓冲器级数匹配**:确保对称路径的缓冲器级数相同,避免级数差异导致Skew。 ```tcl set_clock_tree_options -balance_levels true # 强制缓冲层级匹配 ``` #### **(4) 物理设计辅助** - **金属层与走线匹配**: - 对称路径使用相同金属层(如均用M5)、相同宽度/间距,减少RC差异。 ```tcl set_clock_route_rules -layer {M5} -width 0.1 -spacing 0.2 ``` - 对长走线插入中继器(Repeater),平衡不同分支的传播速度。 #### **(5) 统计分析** - **蒙特卡洛仿真**:考虑工艺波动(PVT),评估Latency与Skew的鲁棒性。 **公式**: $$ \text{Skew}_{\text{worst-case}} = \text{Skew}_{\text{nominal}} + 3\sigma $$ **实现**:在STA中设置OCV(On-Chip Variation)模式,覆盖极端情况。 --- ### **4. 实际场景下的权衡** | **场景** | **优化优先级** | **典型策略** | **风险控制** | |---------------------|----------------------|-----------------------------------------------|----------------------------------| | **高性能芯片** | Skew最小化 | 对称结构 + 大量缓冲器 | 功耗↑、面积↑ | | **低功耗设计** | Latency最小化 | 减少缓冲层级 + 非对称优化 | Skew容忍度需放宽(如±10%) | | **多时钟域设计** | 域内Skew优先 | 分组优化(Group Path) + 跨域隔离 | 跨域时序需额外约束 | | **含门控时钟设计** | 门控单元延迟匹配 | 插入平衡缓冲器 + 门控时序检查 | 避免门控使能信号传播延迟差异 | --- ### **5. 签核验证** - **检查项**: 1. **全局Latency**:确保总延迟满足时钟周期要求(通常 $$ t_{\text{latency}} \leq 0.6T_{\text{clock}} $$)。 2. **局部Skew**:同一时钟域内Skew不超过目标值(如 $$ \text{Skew} \leq 50\text{ps} $$)。 3. **过渡时间**:信号斜率(Slew)需稳定,避免因驱动不足导致隐性延迟差异。 - **工具命令**: ```tcl report_clock_timing -type latency # 报告总延迟 report_clock_timing -type skew # 报告Skew分布 check_clock_tree # 检查CTS规则违反 ``` --- ### **总结** 平衡Latency与Skew的本质是 **动态折衷**: - **黄金法则**:在满足时序收敛的前提下,优先控制Skew;若功耗/面积敏感,可适当放宽Skew约束。 - **关键指标**:Skew/Latency比值(通常要求 $$ \text{Skew} \leq 10\% \times t_{\text{latency}} $$)。 - **最终目标**:实现 **可预测的时钟网络**(Predictable Clock Network),确保芯片功能正确性与性能稳定性。
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值