文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.179005
中文引用格式: 楊會平,蔡琰,施建安. 16 nm FinFET工藝信號EM問題的分析和解決[J].電子技術應用,2017,43(8):25-27.
英文引用格式: Yang Huiping,Cai Yan,Shi Jianan. Analysis and solutions of signal EM in 16 nm FinFET technology[J].Application of Electronic Technique,2017,43(8):25-27.
0 引言
隨著芯片制造技術水平的持續(xù)發(fā)展,先進工藝節(jié)點出現(xiàn)的新物理特性對芯片性能和可靠性的影響日益復雜化。以芯片金屬線的電遷移(EM)現(xiàn)象為例,該效應在早期成熟的工藝節(jié)點已經有了很深入的研究并具備有效的解決方案。一般來說,早期的工藝節(jié)點人們只關注Power EM,內部信號的EM分析和修正僅僅作為一個可選項存在,對芯片設計和制造的影響很小。但是在28 nm及以后的工藝節(jié)點下,情況發(fā)生了很大的變化,內部互聯(lián)線的物理尺寸變小,走線長度變長,信號翻轉頻率變高,這一系列的變化都導致信號的EM問題凸現(xiàn)出來,在物理設計過程中常常會出現(xiàn)版圖多次迭代,大大影響了項目周期。這使得信號EM成為布局布線階段必須解決的重要問題之一。本設計實例通過完善自動布局布線工具的內嵌EM分析功能,大大簡化設計流程,減少迭代次數(shù),實現(xiàn)了設計流程的加速。
1 信號EM的成因及分析手段
信號線的電遷移又稱為損耗和焦耳加熱,是由于互連線上信號的高速變化對電容的不斷充放電而引起的。當脈沖通過導線時,導線本身的功耗將使導線溫度超過氧化層溫度。氧化層和導線之間的溫度差異會產生機械應力,最終使導線斷裂;這一點在先進工藝上體現(xiàn)的尤為明顯,因而信號EM問題越來越受到各方的關注,目前主流的EDA工具也提供了全面的技術支持。后端的設計流程中,有兩個軟件涉及到了信號的 EM分析,分別是Cadence 的自動布局布線工具Innovus和電源分析工具Voltus。
Innovus作為EDI的替代平臺,是新一代的物理設計實現(xiàn)解決方案,在運行效率、時序分析能力、信號完整性分析能力以及芯片面積優(yōu)化等諸多方面較EDI都有非常大的提升。特別是在先進的16/14/10 nm FinFET工藝制程和其他成熟的制程節(jié)點上通常能提升10%~20%的功耗、性能和面積指標,并實現(xiàn)最高達10倍的全流程提速和容量增益。
Voltus是一款Sign-off級別的芯片電源完整性分析工具,致力于從模塊及IP層面為IC 電源在調試、驗證、IR下降、金屬導線電遷移、補償漏電等方面提供準確、高效的分析手段。EM分析方面,Voltus-Fi作為Voltus系統(tǒng)針對數(shù)字電路信號完整性檢測的重要補充,需要計算每一條導線(接點)上的電流并與EM規(guī)則進行對比,其精度達到了SPICE級精度的認證,能夠滿足臺積電16 nm FinFET的工藝規(guī)格,同時實現(xiàn)更小的內存占用、更快的運行速度和更高的準確度。
以上兩個工具在后端流程中具有重要地位,特別是在信號EM問題尤為突出的16 nm工藝中。盡管Voltus是精確的電源完整性分析工具,但是信號EM的分析流程很繁瑣,具體實施步驟如下:
(1)抽取反標文件;
(2)使用Voltus進行信號EM分析;
(3)將Voltus的結果返回到Innovus中進行修正;
(4)重復步驟(1)~步驟(3),直至結果收斂。
如果Innovus能直接檢查并修正信號EM問題,這樣可以節(jié)省抽取文件的時間和在Voltus中進行分析的時間,能極大地節(jié)約運行時間,提高工作效率。
2 項目設計實例分析
實例項目是一個基于16 nm FinFET的大規(guī)模GPU芯片。針對芯片物理實現(xiàn)流程中的EM分析手段,分別采用Innovus和Voltus作了信號EM分析。
針對項目中的17個各種類型的block作了分析,發(fā)現(xiàn)兩者的差距非常大。圖1是PEAK CLOCK 類型的信號EM違例在兩種工具中的結果對比圖。
在該結果中,Voltus報出的違例大約是Innovus的2倍。由于Voltus是SPICE精度的Sign-off工具,所以傾向于信任Voltus結果的準確性。而Innovus為了節(jié)約運行時間,是基于lef進行分析的,偏差在所難免。通過整理數(shù)據發(fā)現(xiàn),偏差主要來自Innovus漏報,以PEAK CLOCK類型為例,平均漏報率在55.8%。對于這樣大量的漏報,將該問題仔細分析和定位是非常必要的。
3 問題的分析和解決
導致兩種工具對同一設計分析結果的不一致,有幾種可能性:第一是來自流程上的問題;第二是來自寄生參數(shù)不同導致;第三是判斷依據不同導致。
首先考慮來自流程的區(qū)別,對流程中的各個參數(shù)進行了查看及對比,流程上兩者的輸入控制參數(shù)是一致的,所以來自flow的因素可以排除。
其次,輸入文件中的RC寄生參數(shù)的提取至關重要。Innovus使用QRC提取的SPEF,而Voltus則使用了STAR-RC抽取的SPEF。為了驗證這個想法,將STAR-RC抽取的SPEF作為Innovus的輸入進行了分析,發(fā)現(xiàn)差異并沒有好轉,因此排除了RC數(shù)據問題的可能性。
最后仔細研究了兩者的信號EM結果,具體報告情況見圖2。該報告共包含以下主要內容:按列依次排開,分別為實際電流峰值/電流最大值、電流峰值、電流最大值、平均電阻、線寬/通孔面積、所需線寬、電容值、金屬層、坐標、線長、方向。上方是Voltus的報告,下方是Innovus的報告。在兩者報告中不匹配的金屬線用線框標識??梢钥吹阶髠鹊谝涣械闹?,兩者差距很大。在Voltus的報告中,實際電流峰值為1.12 mA。在Innovus的報告中,實際電流峰值為0 mA。這就是造成兩種工具中報告不一致的本質原因。隨后打開實際版圖進行查看,發(fā)現(xiàn)漏報的線都屬于同一種類型:Patch wire。
Patch wire是連接標準單元器件的PIN和上層金屬的中間金屬層,它是自動布局布線工具在連接PIN時,為了避免一些金屬面積的違例而引入的一個金屬補丁。Patch Wire在實際版圖中的形狀如圖3所示。
Patch wire的示意圖如圖4所示。M1為PIN,時鐘線的走線為M4,中間的M2/M3是包在V2/V3上的一小段金屬層,即上文提到的Patch wire。
在Innovus中,Patch wire的電流為0是導致EM漏報的原因。將分析的原因反饋給Cadence,研發(fā)部門對該部分進行了優(yōu)化升級。使用更新后的軟件,對這些block重新做了信號EM分析,結果如圖5所示。由圖5看出,兩者結果基本一致,平均偏差在1.5%。
有了兩者匹配的結果,在項目初期不再需要進入Voltus進行Siganl EM分析,直接在Innovus中進行信號EM的分析和修正,最后用Voltus做二次確認即可。流程得到極大簡化:
(1)在Innovus中進行分析和修正;
(2)抽取反標文件(最終數(shù)據);
(3)使用Voltus進行信號EM分析(最終數(shù)據);
(4)重復步驟(1)~步驟(3),直至結果收斂。
通過對單一一輪修正信號EM的運行時間在新舊流程中的不同作了對比,對比結果如表1所示。從表1看出,平均運行時間從9.5 h減少到4.5 h,減少了52.6%的運行時間。
4 結論
隨著新工藝技術的不斷演進,以及金屬線寬的不斷縮小和工作頻率的不斷提高,信號EM的問題逐漸成為困擾芯片物理實現(xiàn)的技術難點之一。本文通過完善Innovus的信號EM分析結果,使冗長繁瑣的迭代明顯得到改善,設計和分析效率都大大提高。
參考文獻
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作者信息:
楊會平,蔡 琰,施建安
(英偉達半導體科技(上海)有限公司北京分公司,北京100020)