超级动态电压调节技术下的信号完整性关键技术研究

Ultra-wide Dynamic Voltage Scaling(UDVS) has obvious advantage in low-power chip design. However, the amplitude of the signal becomes much smaller.Low voltage bump can introduce logial error. Small clock uncertainty and the delay variation introduced by cross-talk can lead to the timing violation. Both the static and dynamic noise make the signal integrity problem much worse for UDVS.To avoid the chip failure, high power supply voltage is needed, which will cause large power consumption. This project mainly researchs the signal integrity theory. To propose the static noise second-order model and the crosstalk delay model based on adding coupling-capacitance weight-factor to the CCS model , which are compatible with the exiting VLSI circuit; To design the sense-amplifier-based VB-detection circuit using the substrate-control technique, which can be insensitive to process, voltage, and temperature(PVT) variations; And then to propose the test system which can precisely track the VB with small area and low power consumption, base on which adjusting the power supply voltage of the chip.

超级动态电压调节(UDVS)技术在低功耗芯片设计中具有明显优势。但当电压显著降低，芯片内部传输的信号幅度变得很小，动态噪声和静态噪声引起的VB(Voltage Bump)更易导致时序的违规，给信号完整性设计带来极大的挑战。为规避信号完整性问题导致芯片性能出错，芯片必须始终工作在很高的电压下以确保正常工作，这会显著提高芯片功耗，不能充分发挥UDVS技术的低功耗优势。本项目在我们前期工作对UDVS 基本单元电路和翻转噪声研究的基础上，研究UDVS技术下的信号完整性理论，构建兼容于现有大规模集成电路设计的静态噪声二阶模型和基于耦合电容权重因子的复合电流源(CCS)动态噪声模型；同时基于衬底控制灵敏放大技术设计PVT性能良好的VB检测电路；在此基础上，在大规模UDVS 芯片中实现电路VB测试系统，以较低的电路面积和功耗实测芯片的VB，为调整芯片的电源电压和时序修复提供依据，使得芯片功耗尽可能有效降低

本项目通过对超级动态电压调节技术下信号完整性关键技术的研究，进一步研究UDVS 技术下的信号完整性理论，构建兼容于现有大规模集成电路设计的快速收敛动态噪声计算模型，为时序修复提供依据，使得芯片在后端设计中串扰控制能达到快速收敛，为调整芯片的电源电压提供依据，使得芯片功耗尽可能的低。该工作主要包含以下三点：1）创建了超级动态电压调节技术下与目前大规模集成电路设计流程相兼容的时序逻辑库与物理库，同时基于翻转理论提出一种与实测非常接近的动态噪声模型，并把该模型应用于可工作在动态电源电压下的振荡器噪声分析中，取得良好的测试效果。2）设计出基于衬底控制灵敏放大技术的串扰延时测试电路设计。本项目在已有UDVS电路设计的经验基础上，采用衬底控制灵敏放大技术，设计出在超级动态电压调节技术下串扰延时测试单元电路。衬底控制灵敏放大技术抗PVT性能好，并能降低电路的面积和功耗。3）开环预测与闭环自适应调整相结合的UDVS内建串扰延时测试方法。基于已构建的兼容于大规模集成电路设计流程的时序逻辑库与物理库，提出内建串扰延时型测试的基本原理、面向非理想互连几何结构的渐进式串扰延时测试方法。和传统的串扰延时分析相比，本项目利用锁相环预测方法随时跟踪串扰延时的变化信息，进而给芯片选择最优电源电压值提供确切依据，使UDVS芯片低功耗优势发挥至极致。该超级动态电压调节技术下串扰控制的关键技术，基于衬底控制技术设计的串扰延时测试单元电路，兼容于目前流行的CMOS工艺及其设计流程，能大大降低超大规模集成电路芯片功耗，为保护市区环境做出贡献。基于耦合电容权重因子的时序修复，大大加快时序分析的收敛速度，缩短time-to-market时间，进而降低生产成本，产生良好的经济效益。