统计静态时序分析(SSTA)概述

2011-06-10 21:27:11来源: 互联网
摘要

  是否曾想过为什么一个设计能够以高于设计团队承诺的频率工作?为何该设计团队不能将这个更高的频率当作要实现的目标?

  过去,静态时序分析被用来分析SoC是否能够在规定的目标频率工作。时序验收要么在最差情况(WCS),要么在最佳情况(BCS)下完成。通常,这些与三西格玛区域对应。当然,为了结束这些情况下的时序,可能进行了大量过度设计。

  统计静态时序分析(SSTA)尝试采用一种方法来减少这种不必要的过度设计,因此努力让设计变得更加切合实际,并同时帮助提高目标频率。

  什么是统计静态时序分析?

  过去几十年里,静态时序分析(STA)一直是用来结束数字电路时序的一种常用方法。

  但由于几何尺寸缩小到45nm甚至更小,现在要结束时序变得越来越困难了。STA和工艺数量的增加,使得整个情形变得更为复杂。

  之所以出现这样的复杂情况,是因为要在高级技术节点上实现工艺变化变得异常困难了。现在共有两种变化:

  1.芯片到芯片变化

  2.芯片内变化

  这两种变化又可以进一步划分为:

  1.系统性变化

  2.随机性变化

  其中的部分变化目前仍算在传统的STA方法内。SSTA尝试按概率分布来考虑所有这些变化。

  基本上,SSTA会计算概率函数,以计算每个节点上每个信号的到达时间。如果设计达到规定的目标频率,根据到达时间的概率分布函数,就能将它计算出来。

  例如,如果概率为97%,那么最小余量的信号的到达时间为5ns;到达时间为4ns的概率为10%。这意味着200MHz的目标频率其得到的概率应为97%,250MHz的目标频率其概率为10%。

  变化:

  临界尺寸的扩展速度超过了我们的控制。现在随着技术节点的减少,互连变化与有源门相比,它正逐渐占据主导地位。

  由于互连开始占主导地位,时序的临界变量不只限于晶体管的临界尺寸,同时包括线段尺寸和实际形状以及附近网络的数量。

  金属宽度、金属厚度、经电阻、绝缘高度都具有不同的金属层属性。晶体管的类似属性包括晶体管长度、宽度、掺杂密度和门氧化层厚度。

  1.互连变化

  这种统计法对互连领域里所有可能的变化组合建模型。例如,启动路径可能位于金属3中,而获取路径就能够则位于金属4中。

  过去,STA在所有金属中会各不相同,因此不能将金属3导致最大时延、金属4导致最低时延的这种情况设立模型。此类组合对应于建立路径的最差情况,只能从统计角度对互连变化建模来获取。

  2.芯片内变化:

  目前,这是通过使用启发式降额数,以及对最差情况和最佳情况时序模型进行片上变化分析来完成的。

  3.芯片间变化:

  工艺参数存在变化,这可能以类似方式对所有芯片产生影响。在STA中,这是通过WCS时序模型(慢晶体管)和BCS时序模型(快晶体管)来处理的。

  概率密度函数(PDF)

  在SSTA中,所有参数(随机和系统参数)都是按概率分布函数(PDF)的角度来处理。

  即使用的不是单个值,而是概率密度函数。下面的图1给出了PDF示例。

  


  图1:余量的概率密度函数(PDF)

  时序路径举例:

  下面给出了时序路径的一个例子(图2)。时序路径的PDF如下图所示(图3)。这个PDF是通过对门时延PDF和到达时间统计分析后计算得到的。

  到达时间、余量、压摆等都采用Taylor系列仪器计算得出。

  a0+∑i=1,n(ai∂Gi)+an+1∂Ra

  其中,

  –a0是平均值

  –∂Gi是“n”全局源变化

  –ai描述对应Gi的统计变化

  –∂Ra是独立随机变量R的变化

  –an+1描述对应Ra的统计变化。

  平均值(µ)=a0+∑i=1,nai平均值(∂Gi)+an+1平均值(∂Ra)------(i)

  标准差(σ)=[{aiStd(∂Gi)}2+{an+1Std(∂Ra)}2]½-(ii)

  使用上面两个等式,这些分布函数可以用如下方式表示:

  

  图2:PDF示例

  门时延的PDF(红色)和到达时间(绿色)也在图3中标记出来了。

  

  图3:时序路径

  OUT1的PDF:

  所示区域代表违反时序的概率。基本上,该区域代表当前目标频率产生的损失。该PDF还对第1段提到的问题做了回答。现在,设计人员可以声称频率数字考虑了结果平衡。这种情况有助于提高设计公司的利润,因为它们可以声称能够实现更接近的目标频率。

  

  图4:时序路径的PDF

  如上图所示,规定时序时间和达到时间的PDF结合起来,计算分布情况。要注意的另一个方面是,在达到上图(图4)所示的数字之前,时钟延迟也可以用统计方式表示。

  SSTA–难点

  1.概率函数很难计算。更重要的是,从统计角度看芯片上的变化不是彼此独立的。

  2.计算需要S–lib格式的时序模型。

  3.由于统计数据容量大,与传统的STA相比,该计算属于内存密集型。

  4.运行时间也是一个难点。

  但是,只要记住SSTA能为设计团队提供的优势,所有这些难点都可以迎刃而解。

  总结

  与传统的STA相比,SSTA仍处于初期阶段,但它能以更切实可行的方式为设计提供收尾工作。它根据工艺和互连参数变化,对设计进行分析。

关键字:分析  概述

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0610/article_9796.html
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