高速芯片电源/地线网的信号完整性分析

摘要

电源/地线网的设计和仿真是集成电路自动化设计工具中的重要功能。由于电源/地线网规模日趋庞大，芯片的工作速度不断提高，传统的设计方法和仿真算法在规模和速度上都不能很好地满足当前的需求。因此，对于高速芯片电源/地线网如何进行合理设计以及快速准确仿真成为了集成电路自动化设计工具研发过程中的一个难点问题，也成为了芯片电源/地线网信号完整性分析的热点问题。 本文是作者参与了国家自然科学基金项目“SOC互连线建模仿真及时钟线网与电源线网综合”后，对于高速芯片电源/地线网布局布线设计方法的介绍和对电源线网电压降仿真算法开发的总结。 本文首先从研究集成电路电源/地线网设计的一般流程开始，在考虑了芯片中各种不同电源/地线网的拓补结构后，结合具体设计要求并根据标准单元芯片的特点，采用了两层网格型的电源/地线网络。随后通过计算各标准单元的平均功耗，得到了电源线的宽度计算公式。进而通过编程实现了可视化的电源/地线布线界面，文中对于使用上述方案实现的电源/地线布线软件作了介绍。 对于完成布线的电源/地线网，本文对其静态电压降的仿真方法做了研究。首先根据仿真要求，通过采用导线的电阻模型以及标准单元的等效电流源模型，将电源/地线网络等效替代为一个电路网络，并由此生成改进节点法方程。随后根据方程的系数矩阵有大量零元素的特点，采用块超松弛迭代方法解上述方程，从而实现了静态电压降的快速仿真，文中详细给出了该算法的各个步骤。随后采用C语言编程实现的数值仿真结果表明该算法与传统方法相比，可在保证精度的情况下提高计算速度。进一步，本文对于上述算法进行改进，实现了该算法的并行化，得到了一种并行块超松弛迭代算法，文中详细给出了该算法的流程图以及关键变量的传递方向，随后通过C语言编写核心算法以及利用消息传递接口（MPI）实现了整个算法。最后，通过数值仿真，证明运用该算法可进一步提高静态电压降的计算速度。