Лекция № 5. Трассировка межсоединений

Трассировка шин и критических сигналов. Правила трассировки и учет целостности сигналов. Оценка задержек и анализ перекрестных наводок. Топологические приемы их устранения. Учет стратегии тактирования

Трассировка межсоединений. Трассировка шин и критических сигналов

Трассировка межсоединений топологических элементов осуществляется на этапе физического проектирования непосредственно после расположения всех макроблоков схемы и базовых ячеек. Трассировка условно разделена на несколько этапов:

- специальный роутинг;

- построение тактового дерева;

- трассировка межблочных и межэлементных связей.

К специальному роутингу относится трассировка цепей земли и питания. Построение цепей питания начинается еще на этапах построения общей конфигурации кристалла (floorplan) и размещения макроблоков (placement).

Трассировка цепей земли и питания может осуществляться двумя способами:

- верхним толстым слоем металла;

- нижними слоями металла.

Разводка цепей питания в верхнем слое выполняется, как правило, при проектировании схем с высоким коэффициентом утилизации. При таком типе расположения шин питания подключение к базовым ячейкам осуществляется через группу переходных контактов. Этот способ позволяет выделить под трассировку остальных частей схемы на один слой больше по сравнению с методом трассировки в нижних слоях.

При проектировании цепей питания и земли в нижних слоях непосредственно после расположения ячеек ввода/вывода осуществляется планирование периферийных колец питания. Сразу после этого на площади кристалла располагают макроблоки и формируют вокруг них кольца земли и питания, подключая их к периферийным питающим кольцам.

Далее размещаются базовые ячейки и достраиваются все горизонтальные и вертикальные линии питания (stripes, rails).

Следующим этапом трассировки становится создание тактового дерева. Цель построения дерева синхронизации – добиться максимально синхронного прихода фронта тактового сигнала на каждый из элементов схемы. Трассировщик просчитывает все задержки на пути распространения фронта тактового сигнала и оптимизирует этот путь, расставляя элементы задержки. Окончательная оптимизация дерева синхронизации выполняется только после завершения полной трассировки топологии.

Трассировку оставшихся цепей выполняют непосредственно после трассировки тактового дерева. При этом присутствует возможность указания дополнительно путей трассировки критических сигналов, например, кратчайших путей трассировки высокочастотных сигналов, полного или частичного запрета трассировки над определенными областями, такими как, например, чувствительные аналоговые блоки.

После завершения трассировки межсоединений начинается процесс оптимизации топологии, в ходе которого программа-оптимизатор может изменять тактовое дерево и сигнальные цепи путем вставления или удаления буферов (цепей задержки), изменения конфигурации проводников. Далее разработанная топология конвертируется в нетлист, формируется файл задержек, и осуществляется моделирование схемы с учетом полученных задержек.

Правила трассировки и учет целостности сигналов. Оценка задержек и анализ перекрестных наводок. Топологические приемы их устранения

В идеальном случае основной задачей приложения-трассировщика является конфигурирование и прокладка шин питания и земли, цепей тактирования и прочих сигнальных проводников по наиболее оптимальному, кратчайшему пути, с минимальным использованием переходных межслойных контактов. Однако при трассировке реальных схем с высоким коэффициентом утилизации и малым количеством металлов, используемых для трассировки, эти условия очень часто являются невыполнимыми. В этих случаях могут проявляться нежелательные физические явления, такие как, например, появление перекрестных искажений, разбег фронтов сигналов и другие. Переход к субмикронным технологиям, увеличение степени интеграции и общего числа элементов интегральных схем и, как следствие, усиление влияния различного рода физических эффектов в межсоединениях требуют учет, анализ этих эффектов и применение специальных способов защиты от них при разработке топологии цифровых схем.

В современных электронных схемах имеют место всевозможные физические эффекты, проявляющиеся при проектировании и приводящие к неправильному функционированию интегральных схем или искажению формы сигналов. Наиболее заметными из этих физических эффектов являются:

- шумы и задержки как следствие перекрестных искажений;

- падение напряжения на внутреннем активном сопротивлении;

- электромиграция и плотность тока;

- индуктивность.

Перекрестные искажения возникают из-за взаимной емкостной связи между проводниками схемы, в результате чего при изменении уровня сигнала в проводнике форма сигнала в соседних проводниках также изменяется. Эти эффекты проявились существенно с переходом к субмикронным технологиям из-за значительного повышения емкостной связи между проводниками, уровень которой растет из-за сближения проводников. Наиболее ярко перекрестные искажения проявляются в проводнике-приемнике при изменении уровня сигнала в проводе источнике. Если в результате скачков напряжения на проводниках-источниках в цепи-приемнике наводится сигнал, близкий к уровню, достаточному для того, чтобы изменить ее логическое состояние, это может вызвать срабатывание последующих устройств (например, триггера), что, в свою очередь, приводит к неправильному функционированию системы. Например, в случае, когда при сонаправленном переключении сигналов длительность импульса в цепи-приемнике может оказаться короче, что приведет к сокращению времени удержания в триггерах и защелках.

В идеальном случае проблемы подобного характера желательно идентифицировать до трассировки еще на этапе размещения блоков и элементов. Однако существует набор эвристических правил, которые служат критериями первичной идентификации проблем перекрестных искажений, например, максимально допустимое значение длины двух параллельных проводников на этапе трассировки. Но указанное ограничение способно существенно повлиять на возможность трассировки схем, усложнить ее. Частично обойти данную проблему можно путем создания ограничений на трассировку некоторых критических шин (например, высокочастотных цепей), прокладкой критических цепей ручным способом с использованием наикратчайших путей.

Одной из основных является проблема падения напряжения при протекании большого тока в резистивных цепях питания и заземления. В результате снижается быстродействие. При переходе к субмикронным технологиям эта проблема стала еще более актуальной из-за следующих факторов:

- увеличения токов, связанного с увеличением числа устройств в проекте;

- увеличения сопротивления проводников за счет уменьшения их сечения и числа межслойных соединений;

- существенное снижение напряжений питания.

В случае возникновения падений напряжения на шинах питания может произойти отказ устройства по одной из следующих причин:

- ухудшение характеристик (снижается быстродействие схемы относительно теоретически рассчитанной);

- функциональные сбои (изменяется длительность фронтов и уровни сигналов);

- ненадежное функционирование (снижается запас помехоустойчивости).

Для уменьшения степени влияния или полного исключения проблем, связанных с питанием схемы, требуется соблюдение следующих рекомендаций при трассировке шин питания:

- создание широких периферийных колец;

- создание колец достаточной ширины (с запасом) вокруг блоков схемы;

- качественная запитка блоков, например, подключение колец вокруг блоков к нескольким местам периферийных колец;

- частая сквозная прошивка вертикальными шинами питания всей площади кристалла;

- выделение под разводку питания верхнего толстого слоя металла;

- равномерное размещение блоков по всему кристаллу, исключение прокладки шин питания длинными путями;

- использование приложений статического и динамического анализа после выполнения трассировки.

Увеличение плотности тока, протекающего через проводники, породило проблему электромиграции. Эффект электромиграции проявляет себя в местах повышения плотности тока в течении долгого времени. При этом происходит разрушение металла и появление обрывов и коротких замыканий, и, как следствие, отказ всего устройства. Современные средства САПР позволяют оценить плотности токов, как в шинах питания, так и в сигнальных цепях еще на этапе предварительной трассировки. Подход состоит в том, чтобы идентифицировать потенциальные проблемы, связанные с плотностью тока в данной топологии, и устранить их посредством ее изменения.

Следующей, немаловажной проблемой, возникающей при переходе к современным субмикронным технологиям, является проблема возникновения индуктивных эффектов, способных причинить значительный вред устройствам. Индуктивный эффект является критическим только для цепей с высокочастотными сигналами, эффект самоиндукции является важным только для длинных цепей, а эффект взаимоиндукции влияет только на длинные параллельные участки цепей. Чтобы снизить индуктивные эффекты, наиболее важно обеспечить правильный путь возвращения высокочастотных токов в общий провод. Эта задача чрезвычайно затруднена для автоматических инструментов размещения и трассировки, так как в настоящее время нет достаточно точного механизма анализа происходящих в них эффектов. Однако при наличии высокочастотных и критичных сигналов можно задать ограничения трассировки, кратчайшие пути прокладки таких шин, специальные способы формирования шин. Для подобных случаев существуют специальные рекомендации по проектированию таких схем. При прокладке шин необходимо экранировать цепи синхросигналов так, чтобы высокочастотные токи возвращались в общий провод, расположенный на том же слое параллельно цепи синхронизации. Также для экранизации используется общий провод, проложенный вдоль шины сигналов из расчета один земляной провод на 4-8 сигнальных. Современные инструменты проектирования автоматически добавляют инверторы в требуемых местах, что способствует дополнительному подавлению индуктивных эффектов.

Подобным образом поступают с сетями высокочастотных синхросигналов в чувствительных блоках и частях схем, размещая шины тактовых сигналов между шинами земли и питания.