深亚微米IC互连降阶分析与优化技术研究

摘要

深亚微米集成电路内互连线规模庞大，互连线之间的耦合众多，以至于互连线的等效电路系统规模通常达到数万至数十万阶，传统的电路模拟分析工具无法实现对如此大规模互连电路的有效仿真分析，因此大规模互连电路的快速分析，成为集成电路性能分析和优化需要解决的基本问题之一。同时互连寄生对集成电路性能有越来越大的影响，增加了集成电路设计的压力。互连性能优化技术，是解决互连问题的一种有效手段。因此本文主要从集成电路互连的模型降阶分析及互连性能优化技术两个方面进行研究。
　　针对空间投影互连系统模型降阶方面的问题，分别提出了基于 Krylov子空间广义逆降阶方法、基于群智能算法的结构保留降阶方法和基于广义结构保留的参数化降阶方法。在分析传统的正交投影降阶和斜投影降阶或Galerkin投影降阶和Petro-Galerkin投影降阶方法基础上，针对在给定 Krylov投影矩阵 V下如何找到最优的投影降阶状态变量问题，提出了Krylov子空间广义逆投影降阶方法，其满足最小范数最小二乘投影要求，在空间投影的意义上，这是相对较优的降阶结果。针对传统的结构保留降阶方法不能完全保留状态矩阵中电感关联矩阵子模块结构的问题，即有可能造成电感对地回路问题，提出基于群智能算法的结构保留降阶方法，其把互连系统结构保留降阶过程转化为固定结构的参数优化过程，通过现代粒子群优化算法进行优化降阶。在分析广义结构保留模型降阶方法特点和互连参数的局部均匀性特征的基础上，提出广义结构保留的参数化降阶方法，其利用通用的结构保留降阶方法有效的保留系统参数变化的概率特性。仿真结果证明了上述方法的正确性与有效性。最后，针对空间投影互连系统模型降阶的时域全局误差限问题，给出了4种时域误差限计算方法。
　　针对正交函数近似互连系统模型降阶方面的问题，分别提出了加权自适应阈值小波插值点选择降阶方法和切比雪夫-小波降阶方法。在有理 Krylov降阶方法基础上，针对传统固定阈值小波插值点选择方法的不足，提出加权自适应阈值小波插值点选择降阶方法，从仿真结果来看，其精度明显高于固定阈值小波插入点选择降阶方法。针对切比雪夫函数近似降阶方法局部精度不足和4阶B样条小波近似降阶方法速度过慢的缺点，提出了切比雪夫-小波函数近似降阶方法，其是充分利用了切比雪夫-小波函数的优点构造了一个兼顾降阶速度和降阶精度的正交函数近似降阶方法。从仿真结果来看，切比雪夫-小波降阶方法降阶速度明显高于4阶B样条小波降阶方法而与切比雪夫降阶方法相近，而精度方面明显优于切比雪夫降阶方法与4阶B样条小波降阶方法相近。
　　针对互连系统电路级优化方面的问题，分别进行了参数变化下缓冲器插入和低功耗工艺变化不敏感电流模电路方面的研究。在参数变化下缓冲器插入方面，提出了基于高斯拟合的快速缓冲器插入方法，此方法主要采用高斯函数拟合插入互连线和插入缓冲器的联合概率密度函数，其有助于联合概率密度函数的求解和优化解方案的选取。仿真结果证明了这种方法的正确性和有效性。在电路层面还提出了一种替代缓冲器插入的低功耗工艺变化不敏感的电流模电路，此电路的核心为一个自偏置结构的偏置电路，其主要通过变化补偿的思想抑制工艺变化的影响，同时通过减少静态直流通路个数而降低自身功耗消耗。仿真与测试结果表明延时受工艺变化的影响很小，同时功耗得到有效降低。
　　针对互连系统结构与系统级优化方面的问题，提出了一种基于数据总线特点的FV-BI总线编码电路，其能有效改善 FV编码所不能改善的连续两次传递未编码数据总线上的开关活动。此编码电路主要采用时分复用和寄存器共用技术，有效降低FV-BI编码电路的额外电路开销，而很大程度地改善数据总线开关活动，在随机数据下相比 FV总线编码能降低总线开关活动的26.4％。同时提出了一个可用于系统级时序分析优化的缓冲器模型和一种系统级互连时序快速分析优化方法,其不但能用于不变参数系统互连时序分析与优化，而且也能用于工艺变化下互连系统时序分析与优化,仿真结果表明其正确性与有效性。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2集成电路互连降阶分析方法国内外研究现状

1.3集成电路互连性能与功耗优化国内外现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 MOR空间投影法研究

2.1引言

2.2集成电路互连的RC或RCL电路方程及数学模型

2.3空间投影法模型降阶数学基础分析

2.4基于广义逆的Krylov子空间投影降阶方法

2.5基于群智能算法的结构保留降阶方法

2.6基于广义结构保留的参数化模型降阶

2.7基于空间投影降阶方法的时域误差限研究

2.8 本章小结

第3章 正交函数近似模型降阶及分析方法研究

3.1引言

3.2正交函数及其特性

3.3基于切比雪夫-小波函数的模型降阶方法

3.4基于加权自适应阈值小波插值点选择降阶方法

3.5本章小结

第4章 互连系统的电路级优化研究

4.1引言

4.2参数变化下缓冲器插入优化研究

4.3工艺变化不敏感动态电流模式互连电路低功耗优化设计

4.4本章小结

第5章 互连系统的系统级优化研究

5.1引言

5.2系统级应用于变化条件下延时分析的缓冲器模型

5.3系统级精确互连时序优化方法

5.4基于时分复用技术的低功耗数据总线FV-BI自适应编码

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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