semicustom design flow - unibo.itfranchi/dida01/modellif.pdf · semicustom design flow rtl (hdl es:...

Adapted from J. Rabaey et al, Digital Integrated Circuits2nd, 2003 Prentice Hall/Pearson a.a. 2007-2008

1

SemicustomSemicustom Design FlowDesign Flow

RTL (HDL es: VHDL)

Logic Synthesis

Floorplanning

Placement

Routing

Tape-out

Circuit Extraction

Pre-Layout Simulation

Post-Layout Simulation

System specification

Des

ign

Itera

tion

Des

ign

Itera

tion

Libreriadi celle


2

qSintesi logica

qSimulazione logicapost-sintesi (pre-layout)

qSimulazione logicapost-layout

q<= a and b or c;

Verifica funzionale e stimadelle prestazioni (Tp, P, A)

Calcolo delle prestazioni(Tp, P, A) tenendo conto anchedei parassiti associatialle linee di interconessione


3

LibreriaLibreria di di cellecelle standardstandard

q Schematicoq Simboloq Layout e rappresentazione per programmi di

Place&Routeq Caratterizzazione per programmi di sintesi e

simulazione logica§ Valore numerico dei parametri che permettono di

stimare Tp=Tp(Cext, Tsplopein), P=P(Cext, Tsplopein), Area


4

Fig. 43 della guida

Flusso di progetto


5

Considerazionisul disegno delLayout


6


7

Standard CellsStandard Cells

InOut

VDD

GND

In Out

VDD

GND

With silicideddiffusion

Rsq = 2.7 Ohm/sq

minimaldiffusionroutingWith non silicidedDiffusionRsq = 50 Ohm/sq

OutIn

VDD

M2

M1


8

Metal 1

n +

Rsq metal 1 = 72 mO/ sq

Rsq n + salicided= 2.7 O/ sq

R contatto = 4.5 O

ContattareContattare le le regioniregioni n+ e p+n+ e p+

R = Rsq L/W

R metal1 << R n+/p+

Per ridurre R -> w non minimo e metallo


9

Metal 1

n +



R contatto = 4.5 O


R = Rsq L/W

R metal1 << R n+/p+

V1 V2 = (R metal1) I2

V3 ≈ V1

V4 =(R n+) I4Rco

nta

tto


10

Metal 1

n +



R contatto = 4.5 O


R = Rsq L/W

R metal1 << R n+/p+

V1 V2

V3 ≈ V1

V4 ≈ V2Rco

nta

tto

Rco

nta

tto

Rco

nta

tto


11

0.4 um

0.375um

0.575umW

Source a gndDrain

Ip: trascurabili le cadute sul metalloRs ≈ Rsq n+ (0.575/3.4) = 0.5 OhmIds= Imax = 1.8 mA Vs = 0.9 mV << Vdd-Vt

Vs

Rs

Vg

(Vgs-VT)max = (Vdd – Vs(Ids) –VT)

Ids

Es.1 minima Es.1 minima distanzadistanza frafra canalecanalee e contattocontattogiunzionegiunzione uniformementeuniformemente contattatacontattata


12

0.4 um

0.9umW

Source a gndDrain

Ip: trascurabili le cadute sul metalloRs ≈ Rsq n+ (0.9/3.4) = 0.7 OhmIds= Imax = 1.8 mA Vs = 1.2 mV << Vdd -Vt

Vs

Rs

Vg


Ids

Es.2 Es.2 distanzadistanza frafra canalecanalee e contattocontatto impostaimposta dalladalla strutturastrutturadel SOGdel SOGgiunzionegiunzione uniformementeuniformemente contattatacontattata


13

0.4 um

Ip: trascurabili le cadute sul metallo e stima della Rs comeRs ≈ Rsq,n+ (w+ 0.9)/0.4 = 29 Ohm (cioè : lunghezza del conduttore= w + 0.9, larghezza = larghezza del contatto)

-> forte sovrastima del valore di R Ids= Imax = 1.8 mA Vs = 52 mV << Vdd –Vt(se fosse unsiliced Rsq n+ = 50 Ohm/sq e Rs ≈ 500 Ohm e Vs ≈ 1 V)

Vs

Rs

Vg


Ids

0.9umW

Source a gndDrain

Es.3 Es.3 distanzadistanza frafra canalecanalee e contattocontatto impostaimposta dalladalla strutturastruttura del del SOG e SOG e giunzionegiunzione non non uniformementeuniformementecontattatacontattata


14

Standard Cells: Standard Cells: contatticontatti di di substratosubstrato

InOut

VDD

GND

In Out

VDD

GND

With silicideddiffusion

Rsq = 2.7 Ohm/sq

minimaldiffusionroutingWith non silicidedDiffusionRsq = 50 Ohm/sq

OutIn

VDD

M2

M1


15

Metal 1

n +

n well

p -Si



R contatto = 1.5 O

(valori minimi)

ContattareContattare ilil substratosubstrato deidei transistoritransistori


16

Metal 1

p +

p -Si


Rsq p + = 1.5 O/ sq

R contatto = 1.5 O

(valori minimi)

ContattareContattare ilil substratosubstrato


17

Delay DefinitionsDelay Definitions

Vout

tf

tpHL tpLH

tr

t

V in

t

90%

10%

50%

50% t

In

t

Out

Simulazione circuitale

Tp,HL Tp,LH

Simulazione logica


18

Inverter with LoadInverter with Load

CL,ext

Delay Tp (50%)

Cint CL,extTp,int

Req

CL = Cint + CL,extCL,ext = somma Cin,eq + Clinea


19CMOS Inverter Propagation DelayCMOS Inverter Propagation DelaySimplified approach Simplified approach

tpHL = f(Ron.CL)

on= 0.69 R CL

V outVout

R n

R p

V DDV DD

V inV in

(a) Low-to-high (b) High-to-low

CLCL

ln 2 = 0.69


20Propagation delay model (1) based on Propagation delay model (1) based on linear relationshiplinear relationship

• TP,int: intrinsic delay (i.e. delay with no output loading)• RC : fraction of the delay caused by the output load• STr: fraction of the delay due to input slope

C = ΣCin,eq + Clinea

For each input 7 parameters: TP,int,HL TP,int ,LH Rup RDown SS,UP SS,Down Ceq,in


21


22Propagation delay model (2) based on Propagation delay model (2) based on lookup tableslookup tables

........

........

........

......ValueTd

TP = TP,int + TP(Ts,in, Cext)

table 1) Tp(Ts,in, Cext)

CextTs,in

table 2) TS,OUT(Ts,in, Cext)

........

........

........

......ValueTs,out

CextTs,in

sono inoltre da calcolare TP,int Ceq,in

Cext = ΣCin,eq + Clinea


23EsempioEsempio: : definizionedefinizione delledelle tabelletabelle

Cext

val(ps)

Ts,in

4 12 28 80

5.6

101

261

533

160 (fF)

1069

(Ts,in in ns)(Cext in pF)

1500

(ps)


24

Example: INVERTER 0.13um

pF

ns

pFns

Ts,

in

Ts,

in

Cext

CextTp,HL

Ts,out,fall


25


26EsercitazioneEsercitazione: : risultatorisultato delladellacaratterizzazionecaratterizzazione


27


28


29

ModelliModelli per per stimarestimare la la potenzapotenza dissipatadissipata• Potenza statica

•P = Vdd Ileakage• calcolare Ileakage per ogni configurazione degli ingressi

• Potenza dinamica e di corto circuito• P = fCK Eint + fCK V2

dd C ext,0-1• calcolare Eint = Eint(Cext, Ts,in) energia assorbita in corrispondenza della transizione di ogni ingresso assumendo nullo il carico applicato


30


31Inverter

pW

pW (valore medio)

pW

pF

ns

pFns


32

Energia assorbita a seguitodella transizione degli ingressiespressa in pJ

in questo valore sono consideratii contributi associati alla corrente di cortocircuito e agli effetti reattivi intrinseci

Ts,

in

Cext

Cext

Ts,

in


33

ModelloModello nand2nand2


34EsercitazioneEsercitazione: : risultatorisultato delladellacaratterizzazionecaratterizzazione


35Come Come valutarevalutare i i risultatirisultati delladellasimulazionesimulazione ??

q analisi delle caratteristiche dei transistori§ Manuale di processo§ Simulazioni

q confronto con la caratterizzazionedell’inverter


36

ManualeManuale di di processoprocesso::

q caratterizzazione transistori nMOS e pMOS§ Corrente massima per unità di larghezza di

canale (VDS = VGS = VDD, VBS =0)§ Corrente di leakage (VGS =0)

qq EffettiEffetti reattivireattivi del del transistoretransistore MOS MOS qq ResistenzaResistenza per per unitàunità di di quadroquadro di di conduttoriconduttori

realizzatirealizzati in in differentidifferenti materialimateriali e e resistenzaresistenzadi di contattocontatto


37

(Imax/W)nMOS = 530 uA/um pagina del manualeW = 3.4um Imax = 1.8 mA

(Imax/W)nMOS= W Coxvsat(VDD-VT-VDSAT)


38

(Imax/W)pMOS = 250 uA/um pagina del manualeW= 4.7um Imax,p = 1 mA


39CMOS Inverter Propagation DelayCMOS Inverter Propagation DelaySimplified approach Simplified approach

Imax

VDD

Vout

Vin = VDD

CLImax

tpHL = CL VDD /2

I = (Idsat/W) * Weqmax


40VgsVgs = 0 = 0 VdsVds = = VddVdd VbsVbs = 0 = 0 variavaria la la temperaturatemperaturaIleakage = Iss exp(-VT/nVth)(1-exp(-VDD/Vth)


41

CaratterizzazioneCaratterizzazione dell’inverterdell’inverter

Vout

Iin

Ivdd


42RisultatiRisultati caratterizzazionecaratterizzazione dell’Inverterdell’Inverter((duratadurata transizionetransizione in in ingressoingresso 100 100 psps))

R,HL = 1 ps/fFR,LH = 1.5 ps/fF RNOT = 1.25 ps/fF


43ParametriParametri per per ilil calcolocalcolo del del TpTp((duratadurata transizionetransizione in in ingressoingresso 100 100 psps))

Tp,int,HL = 35 psTp,int,LH = 54 ps Tpint,NOT = 45 ps

R,HL = 1 ps/fFR,LH = 1.5 ps/fF RNOT = 1.25 ps/fF

23 ps

24 ps

24 ps

21 ps

15 ps

15 ps13 ps

13 ps

Tpint,NOTRNOT Cin,NOT

= 451.25 * 13

≈2.7γ =

Cin,not = 13 fF


44StimaStima capacitàcapacità intrinsecaintrinseca

23 ps

24 ps

24 ps

21 ps

15 ps

15 ps13 ps

13 ps

Stima Cintassumendo Tpint= Rnot CintCint ≈ 36fF

Tpint,NOT = 45 ps

RNOT = 1.25 ps/fF


45

Tempi di Tempi di salitasalita e e discesadiscesa ((Ts,outTs,out))


46

IleakageIleakage al al variarevariare delladella temperaturatemperatura

Ileakage = Iss exp(-VT/nVth)(1-exp(-VDD/Vth)


47

EnergiaEnergia associataassociata allaalla transizionetransizioneLL--H_L H_L dell’uscitadell’uscita


48

B

VDD

ATpint ≈2 Tpint,not

Rup ≈ Rup,notRdown ≈ 2 Rdown,not

B

VDD

A

A

Tpint ≈2 Tpint,not

Rup ≈ 2 Rup,notRdown ≈ Rdown,not

Come Come utilizzareutilizzare I I risultatirisultatidelladella caratterizzazionecaratterizzazionedell’inverterdell’inverter

Sp = Sp,not

Sp = Sp,not

Sn = Sn,not

Sn = Sn,not


49

B

VDD

A

Tpint ≈ Tpint,norm ≈ 2 Tpint,not

Rup ≈ Rup,not/2Rdown ≈ Rdown,not

B

VDD

A

A

Tpint ≈ Tpint,norm ≈ 2 Tpint,not

Rup ≈ Rup,notRdown ≈ Rdown,not /2

Come Come utilizzareutilizzare I I risultatirisultatidelladella caratterizzazionecaratterizzazionedell’inverterdell’inverter..Se Se raddoppianoraddoppiano i i fattorifattoridi forma di di forma di tuttitutti I I transistoritransistori

Sp = 2 Sp,not

Sp = 2 Sp,not

Sn = 2 Sn,not

Sn = 2 Sn,not


50TransizioneTransizione degli degli ingressiingressi cheche renderendemassimomassimo ilil tempo di tempo di propagazionepropagazione• è sempre quella a cui corrisponde la carica/scarica dei

nodi interni oltre che del nodo di uscita• è quella in cui l’ingresso che varia è applicato al transistore

con il source a gnd (o Vdd)

C2

C1In1

In2

In3

M1

M2

M3 CL

C2

C1In3

In2

In1

M1

M2

M3 CL

critical path critical path

charged1

0→1charged

charged1

delay determined by time to discharge CL, C1 and C2

delay determined by time to discharge CL

1

1

0→1 charged

discharged

discharged


51

ProgettoProgetto Buffer Buffer nelnel SOGSOGTp,i = Tp,int,medio,i + Ri Cin,i +1 = Tp,int,not + f Rnot Cin,not

f =Cin,i +1Cin,i

CL

Cin,1F =

tpoTp,int,nottdo

tpo/γRnot Cin,nottd1

γ = Tp,int,not/Rnot Cin,notγ = tdo/td1

ffr

FFR

J. RabaeyE.FranchiProf. G. Baccarani

fN = F

( )ff γ+= 1exp


52

Optimum Effective Optimum Effective FanoutFanout ffOptimum f for given process defined by γ

( )ff γ+= 1exp

fopt = 3.6for γ=1

fopt = 4.7for γ=2.7


53Sensibilità al fattore di dimensionamentoSensibilità al fattore di dimensionamento


54AttAtt: : nelnel SOG non è SOG non è sempresempre verovero cheche TpintTpintsisi mantienemantiene costantecostante ! (! (pagpag.. 69)69)

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