UltrasparcIII處理器設(shè)計的物理驗證

1、Ultrasparc III處理器設(shè)計的物理驗證        IC設(shè)計的規(guī)模越來越大，物理驗證的難度也越來越大，選擇合適的驗證工具和操作步驟可以提高驗證效率。本文研究了Sun微系統(tǒng)公司在開發(fā)Ultrasparc III處理器的成功經(jīng)驗，為當前IC設(shè)計的物理驗證解決方案提供借鑒。      自1990年以來，Sun微系統(tǒng)公司就致力于用各種各樣的指標跟蹤那些影響設(shè)計復雜度和生產(chǎn)率的因素。在此基礎(chǔ)上建立并采用了一種新設(shè)計方法，利用此方法可以規(guī)避當前I

2、C設(shè)計所面臨的困難。該方法源自于Ultrasparc III處理器的開發(fā)過程。Ultrasparc III采用了專為1,000路可升級系統(tǒng)設(shè)計的600MHz、64位處理器芯片，具有極大的物理驗證難度。      1991年，Sun微系統(tǒng)公司IC設(shè)計組就采用了約有40種工具的設(shè)計流程。4年之后，工具的數(shù)目增加到100種，而到了1999年則達到驚人的250種。每月批量任務(wù)的數(shù)目也由1991年的10k迅速攀升至1999年的1M，同期設(shè)計組的規(guī)模也增大到10倍。附表中顯示了芯片設(shè)計及設(shè)計工具和相關(guān)數(shù)據(jù)的變化情況。  

3、60;   由于Ultrasparc III的設(shè)計規(guī)模及其更高的性能要求，原有的物理驗證流程需要進行大規(guī)模升級。在整個設(shè)計思路中利用對相互依存的設(shè)計復雜度的深刻理解，提出了一整套的物理驗證工具選擇基準。      主要的流程設(shè)計挑戰(zhàn)是裸片的面積優(yōu)化和功率分配，并實現(xiàn)芯片的最佳性能。對于Ultrasparc III處理器而言，最佳性能意味著達到可能的最高頻率、最小晶體管、低電壓、高電流和大量的動態(tài)邏輯。      此外，以前單獨考慮的設(shè)計決策現(xiàn)在產(chǎn)

4、生了相互覆蓋的問題，邏輯、電子和物理設(shè)計之間的分割也被消除。以前，垂直設(shè)計策略假定單層結(jié)構(gòu)適合于設(shè)計的所有方面，而現(xiàn)在并行數(shù)據(jù)分層結(jié)構(gòu)中，行為、邏輯和物理設(shè)計則必須綜合考慮，三者之間相互依存。對于如時鐘、電源和中繼電路等基本功能部分，必須進行滿足復雜度的分析和設(shè)計，同時保證降低指令處理延遲并消除信號傳送干擾。Ultrasparc III項目還必須對各種數(shù)據(jù)進行更為精確的多維分析。      在整個設(shè)計過程中，必然會出現(xiàn)各種問題的權(quán)衡和折衷。需要考慮的主要問題有：      1

5、. 解決器件的小型化和高性能要求與不斷增加的成本之間的矛盾。      2. 采用省時的單元庫與需要手工設(shè)計的元件之間的權(quán)衡。      3. 調(diào)整庫元件以滿足不同的需求。例如，不采用單一的“nand2”標準單元，而采用具有不同驅(qū)動強度的單元形式。      4. 權(quán)衡需要限定的觸發(fā)器/鎖存器配置數(shù)目，在將信號延遲降低至最小的同時，使時鐘相位差也最小。     

6、60;此外，還必須解決當前存在的分層設(shè)計問題。IC設(shè)計不再采用由上至下、由下至上或兩者相結(jié)合的方法，而已成為各種迭代方法的組合。隨著裸片上集成的元件越來越多，在各層和各抽象體中所需運行的物理驗證也相應增多。物理驗證工具必須能快速、高效地動態(tài)識別重復性元件(如單元和宏等)，并準確發(fā)現(xiàn)所存在的錯誤。      設(shè)計過程選擇      Sun微系統(tǒng)公司采用了一種能將效率最大化的設(shè)計思想，使其產(chǎn)品能率先投放市場。其設(shè)計方法支持能提升生產(chǎn)率，并易于在整個中央運算架構(gòu)中進行配置的高性能工

7、具，這不僅有利于在項目中運用設(shè)計標準和工具標準，在任何需要加速設(shè)計的地方實現(xiàn)自動化處理，并能對某些獨特的元件按需要進行手工處理，還可利用迭代方法(包括全芯片集成、無效數(shù)據(jù)流程處理和單步驗證及分析)進行連續(xù)改進和校正。      在Ultrasparc III處理器的設(shè)計過程中，每個設(shè)計部分均采用專有流程。開發(fā)階段采用并行流程而不是線性流程控制，這樣不必等待第一階段設(shè)計完成就可創(chuàng)建后續(xù)階段。在并行過程中，只需對那些中等和最小規(guī)格的構(gòu)件模塊進行估計就可完成整個芯片設(shè)計的創(chuàng)建。有時還能用“黑盒子”表示該數(shù)據(jù)，有時則可應用尚未通過驗證的實際模

8、塊。      在整個設(shè)計過程中，集成模式還將用到交互作用，通過智能迭代得到基于預估和假定方案的快速結(jié)果。實物塊由下至上進行釋放，并且每個設(shè)計階段均帶有一個驗證過程。當前許多適用的物理驗證工具都能迅速對有效數(shù)據(jù)進行處理，但當存在重大的實際錯誤時(如在迭代的并行設(shè)計流程中)，這些工具的運行速率將明顯下降。      這種情形促使Sun微系統(tǒng)公司采用了能跟蹤異常，并在不犧牲效率的條件下提高靈活度的CAD策略。      

9、在設(shè)計工藝中可靠地驗證和集成EDA工具必須考慮以下9條準則：      1 標準。所有的工具必須支持公開的標準，以更有效地協(xié)調(diào)制造商資源，并能在Sun微系統(tǒng)公司的設(shè)計流程中方便地集成。      2 顯著的靈活度。工具必須能對流水線設(shè)計環(huán)境下的所有迭代、分析和校正參數(shù)進行處理。      3 后期連接(late binding)。工具必須能自動適應硬件結(jié)構(gòu)的變化，并且隨著設(shè)計的發(fā)展，不必修改規(guī)則文件，以支持高效易行的

10、設(shè)計驗證。此外，還能通過與先進的計算中心兼容以提高自動化效率。      4 流水線設(shè)計的無狀態(tài)系統(tǒng)(Stateless system)。設(shè)計工程師需要同時使用不同的設(shè)計方法，而不必保留數(shù)據(jù)或在每個設(shè)計階段保持數(shù)據(jù)。工具不應帶有任何可能導致設(shè)計工程師產(chǎn)生疏忽的硬編碼路徑、鏈接或中央轉(zhuǎn)換。      5 資源共享和優(yōu)化。必須支持運算資源的優(yōu)化使用，并與其它工具兼容。這有助于提高運行時的效率和靈活度，并可避免單點故障。     &

11、#160;6 面向批量任務(wù)的便捷操作。一個工具不僅不能增加運算資源的負擔，還必須支持成批數(shù)據(jù)在最適于網(wǎng)絡(luò)運算操作時通過計算中心進行>' target='_blank' class='infotextkey'>管理和處理。      7 以數(shù)據(jù)為中心的環(huán)境。工具必須能在以數(shù)據(jù)為中心并獨立于工具提供商的環(huán)境下進行操作，即單個生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫在組合和測試流程中為不同的工具提供數(shù)據(jù)。這有利于Sun微系統(tǒng)公司改變單個應用系統(tǒng)，而不會對整個操作產(chǎn)生不利影響。計算密集型操作工作于受控的網(wǎng)絡(luò)資源(計算中心

12、)下，通常保留工具供應商的設(shè)計格式，否則轉(zhuǎn)化為Sun微系統(tǒng)公司的標準。      8 將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為設(shè)計流程。Sun微系統(tǒng)公司在設(shè)計工藝和工具應用中采用了遞增的分層設(shè)計，并行展開開發(fā)過程，這有利于避免線性化模塊創(chuàng)建方法在后續(xù)階段出現(xiàn)開發(fā)進程減慢的問題。      9 采用最佳工具。最佳工具是成功實現(xiàn)設(shè)計和市場目標的必要保障，而選擇易于>' target='_blank' class='infotextkey'>管理的工具也

13、相當關(guān)鍵。      選擇正確的驗證工具      在選擇Ultrasparc III處理器項目的物理驗證工具時，Sun微系統(tǒng)公司考慮了3個核心標準。      功能：能處理無效數(shù)據(jù)，符合Sun微系統(tǒng)公司的分層設(shè)計思想，并能規(guī)避早期工具中遞增設(shè)計規(guī)則校驗(DRC)運行特性方面的限制。      性能：滿足12小時的周轉(zhuǎn)時間。   

14、;   容量：可提供2,900萬個晶體管、124個庫和17萬個單元的容量。      此外，還必須能在Sun微系統(tǒng)公司的Solaris操作環(huán)境下以64位模式進行物理驗證。      雖然設(shè)計工程師已經(jīng)非常熟悉以前使用多年的物理驗證工具，但是隨著設(shè)計工藝的進步，原有的工具已經(jīng)不能滿足設(shè)計需要。在新的設(shè)計流程中，Sun微系統(tǒng)公司采用了來自Mentor Graphics的Calibre。對于像Sun微系統(tǒng)公司這樣的大公司而言，采用新工具的成本和所付出的

15、精力通常是很大的，而實際應用中只用了8個月就完成了這個轉(zhuǎn)變過程。      能如此快速而成功地轉(zhuǎn)向新的設(shè)計工具是由于以下兩個原因：公司傳達了明確的目標和要求，簡明無誤的表述了驗證準則并準備了明確的測試實例；Mentor Graphics在整個過程中提供了專門培訓和資深Calibre應用工程師的技術(shù)支持。      Calibre具有先進的分層處理引擎，是唯一能在提高驗證速率的同時，可自動分析設(shè)計步驟并優(yōu)化重復設(shè)計分層的物理驗證工具。例如，在Calibre完成設(shè)計并驗證設(shè)計庫后，將其傳送到中央?yún)^(qū)域，然后Calibre重新驗證設(shè)計庫元件。在設(shè)計庫開發(fā)流程中，單元和其它電路元件將進行5次驗證，以降低失敗風險并消除錯誤。