晶圓代工工藝技術(shù)的更新?lián)Q代使IC設(shè)計(jì)密度、性能和節(jié)能特性得以不斷提高， 但也為設(shè)計(jì)人員帶來了更多挑戰(zhàn)。FinFET晶體管等創(chuàng)新的新工藝特性要求大幅度提高寄生參數(shù)提取精度，以通過仿真和分析來驗(yàn)證實(shí)體設(shè)計(jì)的性能。本文將會(huì)介紹新的寄生電路提取挑戰(zhàn)，并探討工具技術(shù)是如何不斷發(fā)展以滿足新要求的。

提出新工具要求的原因

在IC采用了特定實(shí)體布局后，IC設(shè)計(jì)人員需要提取它的詳細(xì)電氣性能，以便進(jìn)行靜態(tài)分析和仿真，確保IC能正常運(yùn)行并滿足關(guān)鍵的性能要求。特別是針對(duì)16nm及以下的工藝，精確獲取FinFET器件中的寄生電阻和寄生電容，以及器件間的交互作用和與互連線相關(guān)的寄生電路至關(guān)重要。此外，不同的晶圓代工廠制作FinFET器件的方法存在差異。例如，有些晶圓代工廠在設(shè)計(jì)好的FinFET之間使用浮置器件，這樣一來，捕獲FinFET至浮置器件的耦合以及主要有源器件之間的耦合就非常重要。此外，F(xiàn)inFET中的寄生電阻也非常重要—隨著鰭形通道和源漏區(qū)變窄，源漏電阻增大，器件性能會(huì)有所降低。

雙重圖案工藝使問題變得更加嚴(yán)重，因?yàn)橹圃炱陂g任何掩模失準(zhǔn)都會(huì)增加或縮短多重圖案層上的特征圖案間距， 從而影響寄生電容的可預(yù)測(cè)性。因此，設(shè)計(jì)人員需要執(zhí)行多重圖案角落(corner)的仿真來表征潛在的失準(zhǔn)。在實(shí)踐中，這通常會(huì)涉及到超過10 個(gè)考慮工藝、溫度和雙重圖案(DP)角落。使用傳統(tǒng)工具時(shí)，全芯片抽取的時(shí)間通常為8至10小時(shí)(通宵)；而采用雙重圖案工藝時(shí)，為提取全部所需的角落，處理較大的全芯片設(shè)計(jì)，經(jīng)常需要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。有時(shí)，為節(jié)省時(shí)間，設(shè)計(jì)人員不得不限制定時(shí)分析，只運(yùn)行少量精選的角落，這就增加了漏掉關(guān)鍵角落組合的風(fēng)險(xiǎn)。

另一大挑戰(zhàn)是先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的大型設(shè)計(jì)所需金屬填充不斷增加，使寄生參數(shù)提取工具負(fù)荷劇增。提取工具必須讀取和處理數(shù)千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確建模填充圖案的密度和相鄰導(dǎo)線寄生電容?？焖偬幚磉@些數(shù)據(jù)并制作簡(jiǎn)化的填充模型，對(duì)維持工具產(chǎn)出及管理提取工具的內(nèi)存使用而言非常重要。

處理節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)成指數(shù)式增加的器件數(shù)目和交互復(fù)雜性原本就很困難，而精度更高、模型更復(fù)雜、角落更多的要求使得挑戰(zhàn)更加艱巨，需要針對(duì)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)完成大量的提取計(jì)算任務(wù)。即便如此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還是希望周轉(zhuǎn)時(shí)間與之前節(jié)點(diǎn)處理時(shí)間一樣—確切來說，就是希望能夠通宵完成全芯片提取工作，這樣在第二天就可以繼續(xù)做設(shè)計(jì)工作。

新的工具方法

面對(duì)這些新的挑戰(zhàn)，EDA供應(yīng)商不得不退而求其次，重新開始來創(chuàng)建全新的提取結(jié)構(gòu)。Mentor Graphics公司希望可以提供具備以下功能的工具：

● 精度可媲美參考級(jí)提取工具(其缺陷是速度較慢)。
● 周轉(zhuǎn)時(shí)間與基于規(guī)則(rule-based)的工具保持一致(其缺陷是精度較低)
● 提取詳細(xì)的FinFET器件模型。
● 支持同步多角落提取。
● 將多重圖案技術(shù)融入提取流程中。
● 采用極快并高效的提取算法。
● 提供兼顧全芯片簽核和IP特征提取的協(xié)調(diào)一致的解決方案。
● 通過高級(jí)減縮技術(shù)提供快速的下游仿真。
● 支持大規(guī)模平行處理方法。
● 多個(gè)CPU內(nèi)的SMP和網(wǎng)絡(luò)配置具備高度可擴(kuò)展性。

要達(dá)到上述所有要求，需要結(jié)合多個(gè)創(chuàng)新方法來實(shí)現(xiàn)期望的功能。首先，要獲得最佳精度，就需要場(chǎng)求解器，其功能如名所示—以三個(gè)維度求解麥克斯韋偏微分方程。Mentor Graphics公司采用了一些既高效又高度平行化的創(chuàng)新型計(jì)算方法，使場(chǎng)求解器引擎的運(yùn)行速度比傳統(tǒng)參考級(jí)場(chǎng)求解器快好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這將實(shí)現(xiàn)所需的阿托法拉級(jí)(AF)的精度，同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的性能損失。這是一項(xiàng)確定性技術(shù)(與Monte Carlo概率算法相比)，能夠以接近零的平均誤差和低標(biāo)準(zhǔn)差來提供可重復(fù)的結(jié)果。
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基于網(wǎng)絡(luò)的平行化和多CPU處理

為獲得接近完美的可以大規(guī)模平行處理的線性縮放，Mentor Graphics引入了新的分解方法。與典型的片鋪(Tiling) 方法—將網(wǎng)絡(luò)劃分為眾多子網(wǎng)格來單獨(dú)處理不同，MentorGraphics所采用的方法可以保持網(wǎng)絡(luò)完整，并在專用CPU上處理各完整網(wǎng)絡(luò)。這種基于網(wǎng)絡(luò)的平行化方法消除了精度方面的限制和暈輪效應(yīng)，提供了優(yōu)于平鋪方法的可擴(kuò)展性，特別是對(duì)于對(duì)稱多處理(SMP)機(jī)而言(圖1、圖2)。此外，基于網(wǎng)絡(luò)的平行化可以避免片鋪時(shí)由于CPU數(shù)量變化而引起的結(jié)果精度的差異。

圖1：新的Calibre xACT提取工具融入布局布線和靜態(tài)時(shí)序分析(STA)步驟之間的數(shù)字流程，提供對(duì)STA工具非常關(guān)鍵的寄生和耦合效應(yīng)的相關(guān)信息。

圖2：采用基于網(wǎng)絡(luò)的平行化，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)都發(fā)送至單一的CPU。由于各網(wǎng)絡(luò)在處理時(shí)未經(jīng)片鋪、保持完整，該方法提供了一個(gè)高精度、可擴(kuò)展性優(yōu)異的解決方案。

為進(jìn)一步提高性能，新的架構(gòu)針對(duì)精度要求較低的地方(例如上金屬層)采用了具備高度可擴(kuò)展性的基于規(guī)則的技術(shù)。表1展示了Calibre xACT如何針對(duì)不同的幾何形狀和層來自動(dòng)挑選合適的提取技術(shù)。


這些創(chuàng)新方法相結(jié)合能夠?qū)⑻崛⌒阅芴岣呷叮驅(qū)崿F(xiàn)8個(gè)CPU每小時(shí)4～8百萬個(gè)網(wǎng)絡(luò)的處理量，以及達(dá)到最尖端的晶圓代工廠簽核要求的精度。通過新的Calibre xACT架構(gòu)，提取有1百萬個(gè)臺(tái)的IP僅需15分鐘，而帶2千萬網(wǎng)絡(luò)的全芯片提取也能在一夜之間完成。對(duì)于更大型的設(shè)計(jì)，可以通過增加額外的CPU來處理。

針對(duì)需要很多提取角落的設(shè)計(jì)，這款新平臺(tái)執(zhí)行同步多角落提取，各個(gè)角落的運(yùn)行時(shí)間減少了15%～20%，而精度絲毫不受影響。由于該平臺(tái)使用確定性技術(shù)，單一角落和多角落運(yùn)行始終能夠提供同樣的結(jié)果，Monte Carlo方法則無法做到如此。
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選擇性網(wǎng)絡(luò)處理和網(wǎng)表簡(jiǎn)化

加速周轉(zhuǎn)時(shí)間并同時(shí)減少管理數(shù)據(jù)量的另一個(gè)方法是選擇性網(wǎng)絡(luò)處理技術(shù)。通過該技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以為各個(gè)網(wǎng)絡(luò)選擇特定的寄生模型，從而定制針對(duì)仿真而生成的數(shù)據(jù)量(圖3)。設(shè)計(jì)人員可以按各個(gè)網(wǎng)絡(luò)逐個(gè)選擇分散RCC(帶耦合電容)、RC(不帶耦合電容)、C或R，或依各層來控制提取。例如，為降低仿真時(shí)間，同時(shí)顧及大功率網(wǎng)絡(luò)和地線網(wǎng)絡(luò)的寄生效應(yīng)，設(shè)計(jì)人員可以提取僅包含過孔電阻而排除金屬層電阻的VDD和VSS網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)功能特別有用， 因?yàn)檫^孔對(duì)電源/地線網(wǎng)絡(luò)形成的電阻最大。該功能可以加快仿真速度，同時(shí)維持所需的設(shè)計(jì)裕量。

圖3：Calibre xACT具備選擇性處理功能。這個(gè)例子采用不同網(wǎng)絡(luò)模型針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)類型生成了網(wǎng)表。對(duì)于電源(VDD)網(wǎng)絡(luò)和地線(VSS)網(wǎng)絡(luò)，僅將過孔電阻提取到網(wǎng)表中。RCC模式提取了關(guān)鍵的差分對(duì)網(wǎng)絡(luò)PLUS和MINUS，所有其他網(wǎng)絡(luò)將只包含總電容值。

另一個(gè)節(jié)省時(shí)間的方法是從單個(gè)寄生參數(shù)提取數(shù)據(jù)庫(或提取運(yùn)行)生成多個(gè)網(wǎng)表。這個(gè)方法可用于生成多種網(wǎng)表格式和具備多寄生模式的網(wǎng)表，其可以根據(jù)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。通過這種方法，設(shè)計(jì)人員無需在每次生成不同網(wǎng)絡(luò)時(shí)運(yùn)行提取，從而節(jié)省了時(shí)間；此外，還可以針對(duì)單個(gè)提取運(yùn)行進(jìn)行多個(gè)布局后分析。例如，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)的所有網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行單個(gè)RCC提取運(yùn)行；然后以RCC網(wǎng)絡(luò)模型生成所有信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的SPICE網(wǎng)表，以進(jìn)行時(shí)序分析；最后生成一個(gè)DSPF格式的僅包含電阻的網(wǎng)表，以用于電遷移分析。

仿真器性能在很大程度上取決于網(wǎng)表的大小，而寄生元件可能使網(wǎng)表尺寸成數(shù)量級(jí)增加。精度越高意味著寄生參數(shù)越多，但電路就會(huì)更加復(fù)雜，分析時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)。這就是靈活的網(wǎng)表簡(jiǎn)化技術(shù)至關(guān)重要的原因—它可以盡可能地減少用于布線后仿真的寄生電路數(shù)據(jù)量，僅生成所需的寄生電路數(shù)據(jù)(圖4)。這樣不僅提高了仿真性能，還減少了分析時(shí)間和收斂性問題。

圖4：設(shè)計(jì)人員可以微調(diào)網(wǎng)表簡(jiǎn)化設(shè)置，按照需要來控制精度水平和網(wǎng)表尺寸。在這個(gè)例子中，過孔陣列被極大地縮小，從而使仿真速度加快，同時(shí)又不影響精度。

結(jié)語

數(shù)字、定制、模擬或RF設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在處理任何節(jié)點(diǎn)，特別是16nm或更小的節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要有比以往所有工具速度更快、精度更高、靈活性更強(qiáng)的提取工具。為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，EDA供應(yīng)商需采用基于更高級(jí)架構(gòu)和算法的新提取工具來獲得所需功能。

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