【導讀】芯片工作過程中，由於負載發生變化，導致芯片電源網絡的供電電壓和電流發生變化，可能會出現芯片供電電壓低於TImingsignoff corner的最小電壓的情況，影響芯片的時序。

芯片工作過程中，由於負載發生變化，導致芯片電源網絡的供電電壓和電流發生變化，可能會出現芯片供電電壓低於TImingsignoff corner的最小電壓的情況，影響芯片的時序。

芯片采用電壓調整模塊(VoltageRegulator Module, VRM)的供電方式，其結構有兩種：on-dieVRM，off-dieVRM（見圖1）。

圖1. On-die/off-die供電結構示意圖

對於負載電流大、輸入電壓低
、需要快速喚醒的芯片而言，在芯片供電設計方麵，大多數設計會選擇on-dieVRM的供電方式。但相對於采用off-dieVRM供電的芯片，on-dieVRM供電的芯片電源電壓更容易受到負載變化的影響。在一個采用on-dieVRM供電的芯片中，當芯片進行工作模式切換時
，在最初的幾個時鍾周期，由於芯片工作電流急劇增加，芯片內部的Decap等電容器件容值小
，板級大電容放電的傳輸鏈路長

，不能釋放足夠的電荷來維持當前的電壓
，VRM的輸出電壓被拉低到SScorner電壓以下。為保證在極限低壓情況下芯片設計的可靠性，需要對TImingsignoff沒有變電壓覆蓋的場景進行評估和分析。

變電壓掃描分析

變電壓分析的方式主要有兩種：第一種方式是增加STA分析的corner以覆蓋更多電壓。這種方式時序路徑覆蓋全麵，但需要對未覆蓋的電壓節點進行重新K庫，耗費大量的時間和硬件資源

，實現起來成本較高；第二種方式是通過SPICE對dui芯xin片pian中zhong的de時shi序xu關guan鍵jian路lu徑jing仿fang真zhen分fen析xi，修xiu改gai仿fang真zhen電dian壓ya可ke以yi快kuai速su得de到dao時shi序xu關guan鍵jian路lu徑jing在zai未wei覆fu蓋gai場chang景jing的de時shi序xu信xin息xi
，但dan時shi序xu路lu徑jing覆fu蓋gai有you限xian。在zai時shi間jian和he機ji器qi資zi源yuan有you限xian的de情qing況kuang下xia，芯xin片pian設she計ji人ren員yuan大da多duo會hui傾qing向xiang於yu選xuan擇ze第di二er種zhong方fang式shi先xian快kuai速su看kan到dao芯xin片pian可ke能neng存cun在zai的de可ke靠kao性xing問wen題ti。傳chuan統tong使shi用yongSPICE仿真分析關鍵路徑的時序的流程需要設計者完成時序路徑SPICE網表生成、為SPICE網表添加激勵、量測時序信號、對結果數據進行統計分析等多個步驟。這個流程複雜，需處理的數據眾多，需要設計者同時熟悉SPICE電路仿真、數字設計靜態時序分析
、仿真量測數據統計分析三方麵的知識，對設計者能力要求較高。為簡化關鍵路徑SPICE分析流程，降低技術門檻，華大九天開發了高精度時序仿真分析工具ICExplorer-XTIme
，為設計者提供了一套全自動時序關鍵路徑仿真分析方案。

圖2. ICExplorer-XTIme特色功能

ICExplorer-XTime的流程是讀取設計數據
、工藝模型
、標準單元庫電路網表
、寄生參數、要仿真的時序關鍵路徑時序報告
，自動產生時序路徑的仿真網表及激勵
，調取EmpyreanALPS仿真引擎進行仿真，收集仿真結果並以圖表的形式呈現。流程自動化高
、易於上手。由於內置的EmpyreanALPS仿真器相比同類型仿真器具有更快的仿真求解速度，在仿真時間上也有明顯的速度優勢。 在下麵的on-dieVRM供電芯片電壓掃描應用中，ICExplorer-XTime調用EmpyreanALPS對1000條時序路徑在12個電壓節點下進行時序仿真，在TrueSPICE的精度下，使用16線程加速
，僅耗時6小時。通過對關鍵路徑進行變電壓掃描
，可以得到關鍵路徑在各個電壓點下的時序表現，如每個clockgroup的Worstsetup slack（見圖3）以及Maxfrequency結果統計（見圖4）以及它們隨電壓的變化趨勢等。

圖3. Worst setup slackfrom 0.86v  to 1.08v

以圖3為例，隨著供電電壓的降低，高頻時鍾域clock_group_0和clock_group_1相較低頻時鍾域clock_group_2和clock_group_3，setupslack惡化的速度更快。在SScorner基礎上降壓10%後

，高頻時鍾域的setupWNS達到了-3ns左右，而低頻時鍾域的setupWNS在-1ns以內。

圖4. Max frequencyfrom 0.8v to 1.08v

反映在電路頻率上
，如圖4所示，clock_group_0和clock_group_1的最高頻率降低了約30%。根據同類項目的測試數據
，在工作模式切換時，芯片VRM輸出電壓最大壓降在8%。在此電壓條件下
，參考XICExplorer-XTime的(de)電(dian)壓(ya)掃(sao)描(miao)結(jie)果(guo)，高(gao)頻(pin)時(shi)鍾(zhong)域(yu)中(zhong)部(bu)分(fen)路(lu)徑(jing)的(de)時(shi)序(xu)是(shi)不(bu)滿(man)足(zu)要(yao)求(qiu)的(de)，為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)芯(xin)片(pian)在(zai)極(ji)限(xian)工(gong)況(kuang)下(xia)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，在(zai)芯(xin)片(pian)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)需(xu)要(yao)為(wei)高(gao)頻(pin)時(shi)鍾(zhong)域(yu)的(de)時(shi)序(xu)路(lu)徑(jing)預(yu)留(liu)更(geng)多(duo)的(de)時(shi)序(xu)餘(yu)量(liang)。

結束語

在實際的工程應用中，ICExplorer-XTimetigongdedianyasaomiaogongnenghenhaodimanzuleyonghuduishixulujingjinxingduodianyafenxidexuqiu
，keguangfanyingyongyuxinpianshengyatipinfenxi，xinpianjiangyahoudexingnengfenxiyijijixiandiyaxiadianlugongnengjianzhadengshiyongchangjing。tongshijiyuSPICE仿真
，ICExplorer-XTime還有很多其它的擴展功能，例如老化分析，蒙特卡洛仿真等
，可進一步滿足芯片時序路徑的多樣化分析需求。

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