自动模拟设计约束检查

Hossam Sarhan和亚历山大·Arriordaz

概述
模拟集成电路(ic)是用来控制和调节条件如温度、速度、声音,和电流。在模拟集成电路,电压和电流变化不断在指定点的电路。最大的挑战之一在模拟集成电路(IC)设计是实现和维护准确的比率:电容率,电阻率、电流镜比,等。对这样的设备比模拟电路设计敏感,所以确保这些比率保持一致从设计到实现,通过制造和操作,实现预期的性能是至关重要的电路和产品生命周期。取代烦人的,容易出错的手工检查与自动约束检查确保一致,准确,即使是最微妙的布局差异的精确识别。

模拟电路的性能和可靠性
模拟的性能和可靠性设计与布局的实现密切相关。有许多不同的条件,直接影响模拟电路设计的可靠性、性能、老化和芯片(即。预期寿命)。这些影响是layout-dependent,而另一些人由于制造或操作变化发生。例如,实现现有的模拟电路设计在新技术可能暴露出各种各样的意想不到的效果,不是现在或在前面的技术。设备老化是一个很难的问题与布线后仿真不使用特定的老化模型评估。在大多数设计、小型设备之间的差异并不被布线后仿真,虽然他们可以有一个对最终产品的生命周期产生巨大影响。模拟设计也非常容易变化在制造过程中,它可以表现为电路的意想不到的后果。所有这些挑战可以产生负面影响电路的可靠性和鲁棒性,可使人难以可靠地设计电路,执行超过预期的产品生命周期。

在模拟电路设计图表通常做得好和匹配预期的性能准确,它并不罕见,一旦完成一个模拟的物理布局设计和电路实现验证了布局和示意图(lv)验证,原理和物理布局之间的差异会影响最终产品的质量。许多潜在layout-dependent和制造变异影响必须避免可靠性和性能分析问题。虽然这些影响可以被在布线后仿真,别人不会看到,直到设计硅,所以寻找和消除他们在设计验证芯片的成功至关重要。

Layout-dependent效果
Layout-dependent影响包括广泛的知名模拟布局问题一直是现在和研究在建立过程中节点(如180 nm、130 nm、90 nm)。然而,发现和消除这些影响主要依赖人工审查,依靠设计者的经验和专业知识。

有两个重大layout-dependent问题影响模拟电路设计的可靠性和产品生命周期:

•好了邻近效应(热电)
•浅槽隔离(STI)的压力

热电制冷和STI压力产生负面影响晶体管电参数(例如,阈值电压),因此在晶体管性能[1,2]。这些影响可以改变电路的行为,即使原理模拟是准确的。

back-annotating寄生与布局示意图,设计师可以执行布线后仿真,考虑这些影响,但是这种方法导致设计迭代,可以花很长时间来完成布局符合预期性能[3]。更实际的方法是避免在创造这些条件的初始设计和布局电路。

多年来,模拟设计开发出了一种最佳设计实践,以避免或减少这些影响。其中的一些设计实践包括:

•设备之间的对称
•电流方向匹配
•虚拟设备插入
•共同质心和沥青之间的设备
•电气参数匹配

让我们看看如何将这些设计约束可以帮助消除或减轻热电制冷和STI条件。

以及邻近效应
电流镜和微分对最常用的模拟电路。图1显示了一个示例布局实现电流镜。

电流镜示意图,图1:(a) (b)一个选择的布局实现电流镜(晶体管a、b和C)。

年龄对称的设备,所有设备在井必须有相同的间距的边缘(接近)。两个设备小热电制冷的不同年龄不同,从而导致性能下降,最终降低产品生命周期。图2展示了一个不符合的电流镜布局接近设计约束。最外层的晶体管(A1 & C)是远离的底部比内部两个(A2 & B)。而精确的量化效应非常阐释,热电制冷可以显著改变晶体管的速度。热电制冷装置即使在成熟的过程节点上有可观的影响[4]。

图2:热电制冷设备放置在大大不同距离时的边缘。

减少热电制冷,所有设备将行为和年龄同样应该匹配在一起,也应该有相同的布局环境,包括间隔从井边。使用对称等设计约束检查和设备匹配使设计师,以确保类似的不同设备老化。

浅槽隔离压力
STI创建生产过程,使近间隔的晶体管,防止它们之间的漏电流(图3)。

图3:STI用来互相隔离设备(NMOS从NMOS NMOS pmo,等等)。

然而,创建STI的行动也创造了新的压力(图4)。调节STI压力的影响,形状(多边形定义设备)的所有设备属于一组应对称,以确保相同的压力参数。此外,设备周围的形状在一定距离(上下文层)也应该是相同的。这个一致性确保STI压力不仅会是相同的设备在同一组,而且所有的耦合是相同的(例如,相同的metal1面积上的所有设备)。

图4:创建STI添加新强调,必须占和监管。

例如,以确保统一的STI压力行为之间的电流镜设备如图1所示,他们还必须遵守对称和设备匹配设计约束。

制造和操作变化影响
一旦一个模拟设计录音发送给生产,正常变异的发现在任何制造过程。放置在操作时,其运作的条件可以大大影响性能和产品生命周期。有两个重大的变化影响制造业和相关操作:

•金属化过程变化
•热/过程变化

不幸的是,这些变化也无法预测,由于生产过程是不完全复制,和大多数设计师没有洞察力有关的操作环境将使用芯片。减少这些影响的影响需要一个理解的根本原因,以及适当的设计和验证如何减少其发生。

制造变异的影响最小化的一种方法是确保设备设计的一致性。常见的重心设计实现了多个布局示意图设备设备与一个共同的中心,这有助于减轻变化影响被每个原理的设备,确保不同的设备在类似的方式会有所不同制造[5]。

共同质心检查,确定每个设备的中心(图5)。如果这些中心有相同的位置(x / y坐标),然后设备常见的中心,会经历相同的平均变化。

图5:设备中心的A, B, C应该是一样的,以确保他们都应对制造业同样变化。这里,设备C和B有一个共同的中心,但设备不。

图6演示了一个共同的操作变化:环境温度。在这个例子中,有两个设备,A和b,如果这些设备是金属氧化物半导体晶体管,然后他们的一些参数,如漏极电流,与环境温度有关。因此,A和B设备随着环境温度的变化上的表现也不同。假设温度变化增加x方向,经历的温度装置B将高于经验丰富的设备如果这些设备电流镜的一部分,输出电流可能不匹配的参考电流。同样如果一对差动这些设备,这将创建一个偏移量变化的输出微分。这样的不匹配会导致的性能损失,特别是在敏感的设计,比如无线电频率(RF),模拟数字或数字模拟转换器(AD / DA),等等。

图6:A和B设备体验不同的平均温度/流程变化,从而影响整体性能。

图7显示了可能的布局设计,解决了温度变化的问题。通过一个共同的重心之间的设备,设计人员可以创建一个布局,a和B两种设备的平均变化将是相同的。现在,任何晶体管性能变化等由于温度变化会影响A和B两个晶体管同样,这意味着他们将类似。

图7:布局两个源晶体管(A和B),其中每个晶体管晶体管是由两种布局。在这个配置中,A和B设备会经历相同的平均变化。

模拟布局约束检查
布局约束检查试图找到layout-dependent和潜在的生产变化问题设计录音前,使模拟设计师能够消除或减轻潜在的性能和可靠性问题在设计阶段。

大多数模拟设计师用于视觉检查布局和布局工程师找到任何地区的设计不符合设计约束。然而,规模不断增加的复杂性和今天的设计意味着视觉检查布局结构可能非常繁琐,耗费时间,尤其是当设计包含复杂的路由。详尽的布局评审需要时间,总是容易出现人为错误。此外,每次设计更改后,无论多么小,设计师应该逐字逐句的设计。然而,由于时间和资源的限制,设计往往不审查后轻微的变化,从而导致小差异可能不会被布线后仿真。

自动约束检查
幸运的是,模拟设计师现在有另一个option-automated约束检查。自动化约束检查的最大优点是,它是一个确定性的过程,也就是说,一个自动检查的结果永远是相同的对于一个给定的输入,消除人为错误的可能性。

一些自动化电子设计自动化(EDA)约束检查工具可以自动、准确地检测微妙的错误在各种模拟约束检查,如设备对称,设备定位、存在/没有虚拟设备,布局和共同质心精度。[6、7]。在自动模拟约束验证流程,设计师决定哪些设备必须检查,并检查(s)应该适用于每个组的设备。约束检查工具可以自动检查每组设备和报告任何约束违反。

图8显示了对称错误突出显示的快照使用自动模拟约束检查。

图8:快照显示对称误差(垂直轴)上的一组设备(白色区域是错误的几何图形)。

共同质心检查、约束检查工具首先计算每个设备的中心。中心(图9),如果不匹配,会报告一个错误。

图9:约束检查工具检测到设备,B和C没有一个共同的重心结构(他们的重力中心不重叠),所以他们会经历不同的变化。

添加虚拟设备周围一群(数组)的设备可以减少热电制冷和STI应力的影响数组通过标准化活动设备和井边缘之间的距离,增加了热电制冷的均匀性和STI压力活动设备。约束检查工具可以检查这些虚拟设备的存在,如图10所示。

图10:Calibre PERC平台检查存在的虚拟设备(灰色)周围放置一组活跃设备在需要的时候(绿色)标准化间距数组中配置。

广泛采用自动化的一个关键转折点模拟可靠性约束检查他们的包容在一个铸造工艺设计工具包(此后)。TowerJazz,尖端的汽车和模拟铸造产品,使可靠性相关模拟的科索沃民主党提供约束检查,允许TowerJazz客户自动化模拟可靠性验证流与口径PERC可靠性平台从导师,西门子的业务[8]。一致的评估过程,结合自动验证的可靠性设计约束,还提供了一个有效的方法确保布局符合行业的可靠性标准,如ISO 26262汽车IC设计、功能安全需求和German-funded RESCAR 2.0项目[9],这是专注于增加汽车电子产品的可靠性(图11)。

图11:ISO 26262合规,以及行业项目如德国RESCAR 2.0可靠性计划,推动采用自动模拟约束检查。

结论
许多layout-dependent和操作环境变化影响是微妙和难以预测。而模拟设计师已经开发出多种布局设计最佳实践多年来克服变化效应的负面影响,这些最佳实践的验证已经完成主要通过视觉检查。这样的视觉检查可以是困难和耗时的,可能会导致无意的疏忽。

自动模拟布局约束检查甚至可以持续识别最微妙的差异。能够快速找到正确、准确地这些问题不仅有助于提高最终产品的性能和产品的生命周期,而且最大限度地减少设计周期所需的数量,这可以减少整体设计时间和增加设计师的生产力。添加自动化可靠性检查模拟电路设计和验证流使模拟设计师能够始终如一地交付设计进度,保证他们将执行用于产品的生命周期。

引用
[1]t . b .钩,j·布朗·科特雷尔·e·阿德勒,d . Hoyniak j·约翰逊和r·曼”侧离子植入散乱和面具邻近效应”,IEEE电子设备,50卷,没有。9日,第1951 - 1946页,2003年。DOI: 10.1109 / TED.2003.815371

[2]j . v . Faricelli。”在深纳米级CMOS Layout-dependent邻近效应,“定制集成电路会议(中金公司),2010年IEEE, IEEE, 2010年,页1 - 8。DOI: 10.1109 / CICC.2010.5617407
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DOI: 10.1109 / CICC.2006.320869
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[6]导师,西门子业务。11月2日,2017年。”导师和TowerJazz提供第一个商业综合模拟约束检查套件增强汽车可靠性提供”。
[7]v . m .祖茂堂Bexten m . Tristl g . Jerke h·马夸特医生和d . Medhat”物理验证流分层模拟集成电路设计约束,“在设计自动化会议(ASP-DAC), 2015年20亚洲和南太平洋,IEEE, 2015年,页447 - 453。DOI: 10.1109 / ASPDAC.2015。7059047
URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7059047
[8]TowerJazz, 2017年。”导师和TowerJazz提供第一个商业综合模拟约束检查套件增强汽车可靠性提供2017年11月。
[9]导师,西门子业务。2018。”导师的行业标准口径物理验证组合达到ISO 26262认证”。7月9日,2018年。

作者
Hossam Sarhan博士是硅技术销售工程师在设计部门的导师,西门子业务。

亚历山大Arriordaz口径设计解决方案是一个技术营销经理在导师,西门子业务。他还为各种欧洲项目作为项目接口调查研发3 d-ic或硅光子学等主题。加入导师之前,亚历山大是一个全定制的设计工程师,从事先进testchip / SRAM编译器的发展。他拥有一个硕士学位在电子大学de Nice-Sophia-Antipolis法国。