本文將描述在SoC設計方法論中追求新流程的目的。該流程包括提取、評估和分析復雜SoC及其封裝環境的全電磁耦合模型。分析結果強調了電磁耦合對現代復雜SOC設計性能和功能的影響。
背景
隨著納米尺度技術的引入，互連線的縱橫展弦比提高了。因此，來自鄰近攻擊者的電容串擾對受害者網絡會有這更大的影響，這就需要新改進的SoC設計流。為確保從攻擊者處注入(靜止)受害者網絡的(累積)能量不會導致電路網絡故障，我們就需要全新的噪聲分析工具和相應的IP表征方法。在靜態時序分析流中用于互連延遲計算的算法得到了擴展，它反映了噪聲對延遲的影響，這是由于過渡信號在攻擊器上的并發轉換在輸出端可能產生的波形變化造成的。
用于物理實現的EDA工具也包含了新的特性。詳細的路由算法得到了擴展，包括對相鄰互連的并行運行長度的限制。同時，采用了更復雜的噪聲計算/避免方法來輔助布線軌道的選擇。
設計人員采用的技術以進一步降低隨后電容串擾噪聲失效的風險。此外，對關鍵網的特定非默認繞線規則(NDR)進行了編碼，以指導實現工具在層上的金屬段之間使用大于最小的間距，或將段引導到與非開關(電源/接地)網絡相鄰的軌道，以有效地屏蔽節段與耦合轉換。
金屬節段之間的電容電場線的有限范圍相對容易地結合到SoC物理設計和電分析流中，由庫單元輸出驅動器波形和輸入管腳噪聲靈敏度模型(標準)支持。
隨著SoC時鐘頻率目標的增加和納米設計中電源電壓的縮放，特定網的(自)電感的影響變得更加明顯。通過將提取的RLC模型應用于P/G柵格，將開關電流源注入到柵格位置，對其進行功率/地噪聲裕度分析。此外，我們利用電感元件分析時鐘網的轉換速率，對時鐘驅動器轉換的(諧波)高頻內容呈現附加阻抗。
參考文獻的案例描述了一種有代表性的金屬節段集合的偏電感提取方法——假設部分電感用于一個節段，以減輕定義“全回路”電流返回路徑的困難。但時鐘信號分布可能會受到影響。
當今SoC設計的電磁建模要求
現代SoC設計的復雜性集成了一組極為多樣化的高性能IP，并相應地增加了不同物理塊之間電磁耦合的潛力。為了表示芯片上電流環之間的互感遠距離相互作用，我們將P/G柵極和時鐘網的隔離(部分)電感模型進行擴展。
上圖說明了對這種物理耦合建模的重要性。設計中兩個“隔離”的小環路相距1mm，當完全提取并一起分析時，它們是孤立的，耦合非常弱。設計還包括第三個更大的20毫米x 25毫米的環。當考慮第三大環的RC效應時，對兩個線圈之間的隔離影響會很小。然而，在進行全電磁(EM)提取(RLCk)和分析時，從圖中可以看出，由于額外的EM耦合，兩個小環路之間的隔離在10GHz時降低了30dB。注意，第三環/環路在物理上并不與兩個IP環路相鄰——全電磁耦合不同于短距離的電場電容性串擾。
(附帶說明，為了證明EM耦合來自于第三個循環，對第3個循環“cut”做了額外的分析——隔離返回到2個循環的結果，如上圖所示。)
有助于電磁耦合的芯片上的周圍結構包括多種可能性，例如P/G柵極(帶有去耦蓋)、密封環、大塊硅襯底、封裝上的重分布層金屬等。
那么，為什么會出現SoC EM耦合問題呢?
上圖說明了IP塊之間的隔離主要是在非常高的頻率上受到影響。考慮一下當前SoC的設計，其中許多串行收發信路被封裝在芯片上——例如，這些SerDes通道可以在7GHz下傳輸PAM-4 56Gbps的信號。一組通道將共享一個公共VCO/PLL時鐘源——多個組將被集成以提供所需的總數據帶寬。(每個組也可以有多個內部的VCO，以跨越更大的發射頻率范圍。) 在多個SerDes通道、它們的P/G網絡、密封環和封裝結構之間的磁力耦合可能會導致時鐘抖動顯著增加，從而導致不可接受的誤碼率。
如前所述，當今高級封裝的拓撲是EM耦合模型的關鍵部分。它需要包含2.5D封裝(含插接器)中的再分配和功率傳遞金屬。在3D封裝中，多個堆疊、變薄的模具的獨特特性也需要EM耦合模型。
EM耦合工具
這就需要SoC團隊將EM耦合分析添加到簽名方法中（sign-off），這就需要新的工具/流程來幫助設計人員完成EM模型提取和仿真的艱巨任務。
最近，我有機會與ANSYS的工程副總裁Yorgos Koutsoyannopoulos討論了最新的電磁耦合工具/流的進展。
Yorgos表示：“我們將電磁耦合分析任務分為兩部分。最終目標是為設計師提供設計中所有相關結構的RLCk模型，并對電路級模型進行時間、頻率、噪聲的模擬。”然而，整個芯片封裝的數據量將是不可管理的，并且SoC上的大部分IP信號將不會時候到關注。我們開發了一個評估流程，以幫助設計師確定具體的網絡，在那里可進行詳細的電磁耦合模型仿真?！?/p>
“完整的芯片封裝模型最初生成的評價是?”
Yorgos解釋:“使用ANSYS Pharos工具評估流程的重點是評估SoC金屬、vias、電介質和襯底模型，而不是考慮電路級的細節。設計者感興趣的(頂級)互連層，并構造拓撲模型是在物理斷點處自動添加端口。在這個連接處，如果沒有底層電路，就沒有提取出的RLCk模型的標注——芯片就不需要LVS低速掃描。為了檢測更大的循環，分析將跨越SoC IP物理層次結構。我們的目標是找到相互作用的結構，以保證進一步的、詳細的模擬?！?/p>
“會給設計師什么反饋?”
Yorgos：“ANSYS Pharos為相關的視覺反饋提供了切除布局數據庫上的兩種通用熱圖，并為后續的模擬選擇了網格。被切除的模型按照設計師提供的頻率范圍(和增量)再進行評估。”
“即使是切除SoC模型，這仍然是一個龐大的物理數據量-什么樣的IT資源需要這種的早期評估?”
例如，對于選擇頂部5個金屬層的100mm**2晶圓，在64核1TB內存占用服務器上，每個頻率點的熱圖大約需要1-3個小時?！?Yorgos回答。(還不錯，我想。)
Yorgos:“Pharos使用與其他流程相同的互連技術，包括將金屬薄片電阻率作為線寬的函數和工藝角的定義。對于帶有封裝模型的晶圓，我們能夠將封裝堆棧定義和重分發層包含到一個統一的提取模型中。我們也有一個先進的方法，將模具基板建模成一個非常精確的鋼筋混凝土網格網絡?！?/p>
就像擴展設計方法以支持電容性串擾的影響一樣，高性能SoC IP(可能使用高級封裝)將越來越需要采用廣泛的電磁耦合分析方法。
參考文獻：
[1] Ruehli, A.E., “Inductance Calculations in a Complex IC Environment”, IBM Journal of Research and Development, p. 470-481, September 1972.
[2] White, et al., “FASTHENRY: A Multipole-Acclerated 3D Inductance Extraction Algorithm”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 42, No. 9, p. 1750-1758, September, 1994.
[3] Restle, P., and Deutsch, A., “Designing the best clock distribution network”, VLSI Circuits Symposium, p. 2-5, 1998.
[4] Raman, A., et al., “Electromagnetic Crosstalk Failures and Symptoms in SoC Designs”, 2017 18th International Workshop on Microprocessor and SoC Test and Verification, p. 39-43.
[5] Papadopoulos, P., et al., “Challenges and Trends in SoC Electromagnetic Crosstalk”, 2017 2nd International Verification and Security Workshop (IVSW), p. 63-69.
技術名詞解釋：
NDR
全稱是 Non default routing rule， 非默認繞線規則。一般用于設置 clock 時鐘走線的規則。時鐘的翻轉頻率較高，clock path 上受到的串擾以及 EM 影響也較大。因此，通常會采取雙倍寬度的繞線寬度。默認的繞線規則都是單位寬度，就是指 technology lef 中定義的金屬層寬度。如果我們需要采取雙倍寬度的繞線規則，那我們就需要先定義 NDR，然后工具才能使用這個規則。對于 NDR，我們可以定義在 LEF 中，也可以直接用命令定義。
電磁耦合
電磁耦合又稱互感耦合，它是由于兩個電路之間存在互感，使一個電路的電流變化通過互感影響到另一個電路。兩個或兩個以上的電路元件或電網絡的輸入與輸出之間存在緊密配合與相互影響，并通過相互作用從一側向另一側傳輸能量的現象；概括的說耦合就是指兩個實體相互依賴于對方的一個量度。