VLSI三维互连频变电感电阻快速提取算法研究

论文题目: VLSI三维互连频变电感电阻快速提取算法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 计算机科学与技术

作者: 魏洪川

导师: 王泽毅

关键词: 三维互连寄生电感电阻,频变电感电阻提取,加权平均法,参数,局部性,开路环境

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 近年来,片上系统( SOC )集成,射频( RF )及宽带无线通讯技术的应用推动着大规模GHz以上数字与数-模集成电路的发展,极高集成密度与极高工作频率引发的互连寄生电感电阻效应已对芯片性能产生显著影响。因此,快速精确地提取三维频变寄生电感电阻对成功设计高性能芯片具有十分重要的意义。基于PEEC体积元模型的FastHenry可以精确提取任意3-D复杂结构高频互连电感电阻,但其时间与空间复杂度较高,难以满足工业界对大规模芯片提取互连参数的实际要求。本文对体积元模型加以合理简化与改进,提出了三种快速提取三维高频互连电感电阻的算法:1.借助叠加原理,本文对Ruehli提出的低频互连电感平均值公式作出改进,提出一组高(低)频下计算互连电感电阻的加权平均公式。与精确提取互连电感电阻的FastHenry相比,它仅需设置一次偏压并求解一次大型稠密方程组,速度提高4-5倍或以上,并可保持相当高的精度。2.本文通过算例指出,导纳矩阵Y (阻抗矩阵Z的逆)具有类似K参数矩阵(部分电感矩阵的逆)的局部化性质,并以此提出一种基于Y参数的互连电感电阻提取算法。与其它直接对K矩阵求逆得到电感矩阵的方法相比,基于Y参数局部性的求解可以避免多次矩阵求逆过程,减少了计算时间,并可同时得到高频电阻。为适应一般复杂结构提取要求并提高计算速度,本文进一步作了以下五项工作:适用于三维复杂结构的窗口划分算法;一种简化的多极加速算法;导体Y矩阵的分组求逆;细丝阻抗值复用以及窗口阻抗矩阵复用的策略。数个实例的结果表明,与FastHenry相比,本文方法的加速比可达100以上。3.本文通过实验表明,如果将环境导体设为开路,其中的细丝感应电流便会近似为零。运用这一近似可推知,甚至在高频下,相距较远导体间的互感仅与自身相关而不受环境影响。为此,本文提出一种基于环境导体开路假设的互连电感快速提取算法。对几个大规模互连结构的实际计算表明,在保持一定精度的同时,这一算法可比FastHenry提高计算速度数百倍。

论文目录:

摘要

Abstract

第1章 引言

1.1 集成电路技术发展现状

1.2 互连寄生参数对电路性能的影响

1.2.1 互连寄生电感的影响

1.3 互连寄生电感电阻提取的现状

1.3.1 概述

1.3.2 解析模型法

1.3.3 数值模拟法

1.3.3.1 体积元方法

1.3.3.2 边界元方法

1.3.4 若干快速计算模型

1.4 论文的贡献和组织

第2章 三维互连电感电阻计算的体积元模型

2.1 概述

2.1.1 电感定义

2.1.2 问题描述

2.2 PEEC 体积元模型

2.2.1 积分方程

2.2.2 离散化处理

2.2.3 网孔电路分析方法

2.2.4 方程的快速求解

2.3 基于PEEC 体积元方法的多种加速策略

2.4 小结:局限与展望

第3章 加权平均算法

3.1 细丝横截面积对电感平均值公式的影响

3.2 频率对电感平均值公式的影响

3.3 基于叠加原理的加权平均公式

3.3.1 高频电感加权平均公式

3.3.2 高频电阻加权平均公式

3.3.3 加权平均公式的计算流程

3.4 计算结果

3.5 小结

第4章 基于Y 参数局部性的互连电感电阻提取

4.1 背景介绍

4.1.1 K 矩阵的定义

4.1.2 K 矩阵的局部性

4.1.3 K 矩阵的计算

4.1.4 K 参数方法的局限性

4.2 基于Y 参数的互连电感电阻提取算法

4.2.1 Y 矩阵的局部化性质

4.2.2 高频效应的处理

4.2.3 基于Y 参数的互连电感电阻提取算法步骤

4.3 一种适应三维结构的窗口选择算法

4.3.1 影响导体耦合作用的因素

4.3.2 适用于三维复杂结构的窗口划分算法

4.3.3 对窗口划分算法的进一步讨论

4.4 简化的多极加速算法

4.4.1 多极展开与局部展开式

4.4.2 多极加速算法的步骤

4.4.3 多极加速算法在电感电阻提取中的应用

4.4.4 简化的多极加速算法

4.5 对细丝阻抗复用的改进

4.6 窗口复用技术

4.7 导体阻抗矩阵的分组计算

4.8 小结

第5章 一种基于开路导体假设的互连电感快速提取算法

5.1 现有电感提取加速算法的局限性

5.2 开路环境下的导体感应电流

5.3 一种新的电感提取算法加速策略

5.3.1 互连电感的环境无关性

5.3.2 一个基于开路环境的线性复杂度的电感提取算法

5.4 小结

第6章 数值计算结果

6.1 互连结构的计算

6.1.1 基于Y 参数的算法

6.1.2 基于开路环境导体的算法

6.2 对封装管脚结构的计算

6.3 计算结果分析

6.3.1 计算精度的比较

6.3.2 计算速度的比较

6.4 总结与展望

参考文献

致谢及声明

个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文

发布时间: 2006-06-29

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