电源网格快速建模与EDA工具的硬件加速技术研究

论文摘要

自从集成电路加工工艺进入超深亚微米时代以后，芯片的信号完整性问题变得越来越严重，电源网格的设计质量是影响信号完整性的重要因素之一。随着芯片规模的增大，电源网格中格点的数目急剧增加，这对电源网格设计的仿真效率提出了更高的要求。本文从两个角度研究仿真效率问题，一是研究在传统EDA工具软件环境中的电源网格的快速仿真模型；二是将硬件加速技术引入EDA工具并研究这种新技术在电源网格仿真中的应用。 电源网格上存在着三种主要的物理效应，其中压降效应和地弹反射效应影响信号的完整性，电子迁移效应影响芯片设计的可靠性。本文讨论了压降效应和地弹反射效应的快速建模方法，提出了一种快速估计电源网格金属面积占整个芯片面积比例的方法，将压降效应引入MEMS传感器的互连线，修正了相应的数学模型，降低了传感器的误差。 仿真工作消耗了芯片设计周期70％的时间，仿真速度一直以来都是芯片设计流程中的瓶颈。迄今为止仿真系统一直沿用EDA软件加通用计算机这种早期的计算机系统模式，本文将软件的硬件加速技术引入仿真系统，并设计了晶体管级专用仿真电路用以执行相应EDA软件的任务，大大提高了仿真速度。 本文首先研究了各种基本矩阵运算的硬件实现，然后研究了一种复杂矩阵运算——块SOR(块逐次超松弛)迭代算法的硬件实现，最后针对电源网格的仿真设计了一种多重网格算法的硬件电路。电源网格的数学模型是超巨大型矩阵，本文采用了矩阵分块技术处理电源网格的仿真，该技术对其他类型的基于矩阵运算的仿真也具有一定的参考价值。实验表明，EDA软件的硬件加速技术可以将仿真速度提高数个量级，如本文设计的硬件加速电路就比相应EDA软件的仿真速度提高了三个数量级。硬件加速是个庞大的技术领域，本文将这种技术引入EDA仿真领域，并尝试了硬件加速技术中的一种类型，全面引入硬件加速技术应该是EDA的发展方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微电子技术的发展背景
• 1.2 深亚微米及更高工艺阶段的微电子设计面临的问题
• 1.3 信号完整性问题
• 1.4 电源网格问题
• 1.4.1 压降效应（IR-Drop effect）
• 1.4.2 地弹反射效应（Ground Bounce effect）
• 1.4.3 电子迁移效应（Electro-migration）
• 1.4.4 铜互连工艺的影响
• 1.5 电源网格的快速仿真算法研究
• 1.6 EDA工具的硬件加速技术
• 1.7 论文结构
• 1.8 论文创新点
• 1.9 课题来源
• 第二章 电源网格的电路分析方法及其应用
• 2.1 电源网格的快速建模
• 2.1.1 IR-Drop效应的快速建模
• 2.1.2 地弹反射效应的快速建模
• 2.2 IR-Drop效应的工程化应用
• 2.2.1 芯片金属覆盖率的快速估算
• 2.2.2 IR-Drop效应在MEMS传感器中的应用
• 2.2.2.1 MEMS传感器的发展
• 2.2.2.2 MEMS电容传感器的IR-Drop效应模型
• 2.2.2.3 应用实例
• 第三章 EDA工具软件的硬件加速技术研究
• 3.1 EDA工具软件硬件加速技术的基本思路
• 3.1.1 EDA工具面临的挑战
• 3.1.2 硬件加速技术介绍
• 3.1.3 晶体管级EDA软件仿真的硬件加速技术
• 3.2 矩阵运算的硬件实现技术研究
• 3.2.1 矩阵加法的硬件实现
• 3.2.2 矩阵乘法的硬件实现
• 3.2.3 矩阵求逆的硬件实现
• 3.2.4 矩阵除法的硬件实现
• 3.2.5 块矩阵加法的硬件实现
• 3.2.6 块矩阵乘法的硬件实现
• 3.2.7 块矩阵求逆的硬件实现
• 3.2.7.1 块LU分解的硬件实现
• 3.2.7.2 块L矩阵硬件求逆与块U矩阵硬件求逆
• 3.2.7.3 块矩阵硬件乘法
• 3.3 块SOR算法的硬件实现
• 3.3.1 SOR迭代算法描述
• 3.3.2 块SOR迭代算法设计
• 3.3.2.1 块SOR算法描述
• 3.3.2.2 块SOR算法的硬件实现
• 3.4 数据的处理
• 3.4.1 小数的处理
• 3.4.2 除数为零的情况处理
• 3.5 仿真结果分析
• 3.5.1 矩阵加法电路的仿真
• 3.5.2 矩阵乘法电路的仿真
• 3.5.3 矩阵求逆电路的仿真
• 3.5.4 矩阵除法电路的仿真
• 3.5.5 块矩阵加法电路的仿真
• 3.5.6 块矩阵乘法电路的仿真
• 3.5.7 块矩阵求逆电路的仿真
• 3.5.7.1 块LU分解的仿真
• 3.5.7.2 块矩阵求逆硬件电路的仿真
• 3.5.8 块SOR算法电路的仿真
• 第四章 多重网格算法的硬件加速技术研究
• 4.1 多重网格算法分析
• 4.1.1 互连线的快速仿真算法
• 4.1.2 电源网格的MNA分析
• 4.1.3 多重网格算法介绍
• 4.1.3.1 MG的特性
• 4.1.3.2 AMG算法介绍
• 4.2 MGHA系统的结构设计
• 4.3 MGHA系统的控制流设计
• 4.4 RAM接口设计
• 4.5 实验结果分析
• 4.6 结束语
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 参考文献