高速集成電路中互連線信號(hào)響應(yīng)與功耗的分析優(yōu)化.pdf

1、隨著集成電路特征尺寸的縮小、工作頻率的提高以及集成度的擴(kuò)大，集成電路中互連線成為影響系統(tǒng)整體性能的主要因素。尤其在深亞微米集成電路中，互連線顯示出微波傳輸線效應(yīng)，導(dǎo)致互連線的時(shí)延超過(guò)了門電路的時(shí)延，互連線的功耗超過(guò)了門電路的功耗。因此互連線的分析與優(yōu)化成為高速集成電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文的工作圍繞著高速集成電路中互連線信號(hào)響應(yīng)與功耗的分析優(yōu)化展開(kāi)。以傳輸線為互連線的電路模型，通過(guò)提出高效的分析方法，得到互連線的時(shí)域響應(yīng)、時(shí)延以及功耗等特性，

2、然后以互連線的性能為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)互連線的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化。此外，論文對(duì)互連線的參數(shù)提取進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證并提供了兩種測(cè)試驗(yàn)證方法。論文還研究了集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)互連線性能的影響。具體內(nèi)容介紹如下： 針對(duì)基于傳輸線模型的樹(shù)型互連線，提出了多種時(shí)延模型和時(shí)域響應(yīng)分析方法。第一種：基于傳輸線模型的樹(shù)型互連線時(shí)延模型。其核心是對(duì)樹(shù)型互連線進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，并利用二階矩量匹配對(duì)傳輸函數(shù)進(jìn)行模型降階，從而求得時(shí)延的解析公式。第二種：具有緩沖器

3、插入的時(shí)鐘樹(shù)時(shí)延模型。由于緩沖器將時(shí)鐘樹(shù)劃分為具有相同結(jié)構(gòu)的子樹(shù)，因此通過(guò)求子樹(shù)的時(shí)延可以得到時(shí)鐘樹(shù)的時(shí)延。第三種：基于矩量匹配的樹(shù)型互連線時(shí)域響應(yīng)分析方法。該方法利用ABCD矩陣的級(jí)聯(lián)特性和樹(shù)型互連線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)迭代計(jì)算求得樹(shù)型互連線的精確傳輸函數(shù)，并利用不同階次的矩量匹配對(duì)傳輸函數(shù)進(jìn)行降階，可得到滿足不同精度要求的樹(shù)型互連線時(shí)域響應(yīng)。其中采用二階矩量匹配可以得到時(shí)域響應(yīng)和時(shí)延的解析公式，其時(shí)間復(fù)雜度與樹(shù)型互連線的分支數(shù)成正比。第四

4、種：基于傅立葉級(jí)數(shù)的時(shí)鐘樹(shù)時(shí)域響應(yīng)分析方法。時(shí)鐘樹(shù)的時(shí)域響應(yīng)可以由前幾項(xiàng)傅立葉級(jí)數(shù)之和來(lái)逼近，其時(shí)間復(fù)雜度與所取的項(xiàng)數(shù)成正比，精度隨所取項(xiàng)數(shù)的增加而提高。第五種：基于快速傅立葉變換的樹(shù)型互連線時(shí)域響應(yīng)分析方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以分析由任意信號(hào)激勵(lì)的樹(shù)型互連線。以上五種樹(shù)型互連線的信號(hào)響應(yīng)分析方法，它們的精度均高于目前最廣泛使用的ELMORE模型，效率均高于SPICE電路分析軟件，適合于大規(guī)模集成電路快速仿真和高層次綜合。 以傳輸

5、線為互連線的電路模型，發(fā)展了互連線的動(dòng)態(tài)功耗模型。該模型基于周期信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)分析，利用帕斯瓦爾定理得到互連線的動(dòng)態(tài)功耗解析公式，其值由多個(gè)基于傅立葉級(jí)數(shù)之項(xiàng)求和來(lái)逼近。該模型的時(shí)間復(fù)雜度與所項(xiàng)數(shù)成正比，精度隨項(xiàng)數(shù)的增加而提高。該模型可以分析多種結(jié)構(gòu)的互連線，包括單根傳輸線，樹(shù)型傳輸線以及耦合多導(dǎo)體傳輸線。 以時(shí)延、帶寬、功耗以及面積等性能為目標(biāo)，提出了全局互連線的優(yōu)化方法。針對(duì)較長(zhǎng)的全局互連線，對(duì)其進(jìn)行了緩沖器插入、線寬和線

6、間距的同時(shí)優(yōu)化；而對(duì)較短的全局互連線，對(duì)其進(jìn)行了線寬和線間距的同時(shí)優(yōu)化。此外，針對(duì)130納米到45納米各種深亞微米工藝，論文提供了全局互連線的最優(yōu)參數(shù)。 以0.25微米和0.18微米工藝集成電路中互連線為實(shí)例，提出了互連線參數(shù)提取的兩種測(cè)量驗(yàn)證方法，以驗(yàn)證參數(shù)提取的精度。第一種方法：對(duì)互連線的散射參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，然后通過(guò)電路綜合得到互連線的電路參數(shù)，將其與通過(guò)數(shù)值方法提取出的互連線電路參數(shù)進(jìn)行比較。第二種方法：將通過(guò)數(shù)值方法提取的