本發(fā)明屬于集成電路早期設(shè)計(jì)分析，具體涉及一種面向集成電路早期設(shè)計(jì)階段的熱電耦合仿真方法。

背景技術(shù)：

1、隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的縮小，功耗密度越來(lái)越大，功耗快速增長(zhǎng)給整個(gè)系統(tǒng)溫度帶來(lái)了挑戰(zhàn)，管理系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量成為電路設(shè)計(jì)中重要的課題。此類系統(tǒng)中不斷上升的熱量可能會(huì)產(chǎn)生昂貴的封裝和冷卻成本，并顯著降低計(jì)算系統(tǒng)的性能，使用壽命和可靠性。因此，熱分析是芯片設(shè)計(jì)中必要的程序，傳統(tǒng)的熱分析依賴于基于有限元法(fem)的多物理場(chǎng)仿真工具(例如comsol和ansys)，然而，此類商業(yè)仿真工具計(jì)算成本很高，求解時(shí)間較長(zhǎng)，這些限制使得商用仿真工具不適合評(píng)估早期電路設(shè)計(jì)(即rtl級(jí)電路)、電路設(shè)計(jì)方案和眾多運(yùn)行場(chǎng)景，因此，快速準(zhǔn)確的熱分析對(duì)芯片設(shè)計(jì)和熱優(yōu)化至關(guān)重要。

2、靜態(tài)或泄漏功耗是電路未運(yùn)行任何負(fù)載時(shí)消耗的功率。產(chǎn)生泄漏功耗最主要的來(lái)源是亞閾值漏電流，它發(fā)生在有少量電流流過(guò)時(shí)，當(dāng)mos器件中柵源電壓vgs低于閾值電壓vth，亞閾值漏電流隨溫度的上升指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，在規(guī)模較大工作溫度較高的電路中，為了獲得較準(zhǔn)確的工作溫度，泄漏功耗的影響無(wú)法忽視。在研究熱感知和功耗感知的仿真技術(shù)時(shí)，因?yàn)殡娐窚囟壬邔?dǎo)致泄漏功耗增長(zhǎng)，功耗升高又會(huì)導(dǎo)致電路溫度上升，需要解決這種溫度和泄漏功耗反饋環(huán)路，以確保他們?cè)谛酒?jí)或系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中真正有效。有一部分工作探究了熱仿真中泄漏功耗的難題，主要是使用線性或分段線性泄漏功耗模型的熱仿真方法和基于格林函數(shù)的泄漏功耗感知的熱仿真方法，除此之外還有將泄漏功耗和溫度的關(guān)系描述成經(jīng)驗(yàn)公式完成溫度功耗反饋的方法。但這些方法都沒(méi)有準(zhǔn)確考慮不同工藝不同電路功能對(duì)整個(gè)電路的功耗和工作溫度的影響，這在電路熱仿真中是亟需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于以上內(nèi)容，本發(fā)明提供一種面向集成電路早期設(shè)計(jì)階段的熱電耦合仿真方法，用于早期電路設(shè)計(jì)中獲取可靠的芯片溫度分布及布局優(yōu)化等。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、第一方面，本發(fā)明公開(kāi)了一種面向集成電路早期設(shè)計(jì)階段的熱電耦合仿真方法，包括以下步驟：

4、1)對(duì)工藝庫(kù)中所有的標(biāo)準(zhǔn)單元在不同溫度下進(jìn)行單元表征，一個(gè)溫度下的單元表征結(jié)果構(gòu)成一個(gè)lib文件；

5、2)將待進(jìn)行熱電耦合仿真的芯片對(duì)應(yīng)的rtl級(jí)網(wǎng)表及每一個(gè)溫度下的lib文件進(jìn)行邏輯綜合與功耗分析，獲得每一個(gè)溫度下rtl級(jí)網(wǎng)表的各個(gè)模塊的功耗，建立溫度-模塊功耗表格；

6、3)對(duì)各模塊的功耗進(jìn)行逐次熱電耦合仿真；其中，首次仿真時(shí)，任意選定一個(gè)初始溫度，將溫度-模塊功耗表格中該溫度下各模塊的功耗輸入到熱仿真工具h(yuǎn)otspot中進(jìn)行仿真，獲得各模塊的初始仿真溫度；

7、下次仿真時(shí)，在溫度-模塊功耗表格中查找上一次仿真溫度對(duì)應(yīng)的各模塊功耗，并將功耗輸入到熱仿真工具h(yuǎn)otspot中進(jìn)行仿真，獲得各模塊的本次仿真溫度，計(jì)算相鄰兩次熱仿真獲得的仿真溫度的差值；

8、當(dāng)仿真溫度的差值小于預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，結(jié)束熱電耦合仿真操作，獲得最后一次仿真時(shí)各模塊的仿真溫度，并根據(jù)獲得的仿真溫度優(yōu)化芯片中各模塊的布局規(guī)劃。

9、進(jìn)一步地，所述步驟2)中，在進(jìn)行邏輯綜合與功耗分析前，先使用librarycompiler工具將lib文件轉(zhuǎn)換為db文件。

10、進(jìn)一步地，步驟2)中，所述邏輯綜合與功耗分析通過(guò)design?compiler實(shí)現(xiàn)；使用design?compiler進(jìn)行邏輯綜合與功耗分析時(shí)，所述design?compiler的輸入還包括時(shí)序約束，所述時(shí)序約束包括時(shí)鐘周期、時(shí)鐘偏移、時(shí)鐘延時(shí)、輸入延時(shí)和輸出延時(shí)。

11、進(jìn)一步地，步驟2)中，所述初始溫度為25℃。

12、進(jìn)一步地，所述步驟3)中，若所述上一次仿真溫度落在表格中的相鄰兩個(gè)溫度值之間時(shí)，使用線性插值獲得該仿真溫度下各個(gè)模塊的功耗值。

13、進(jìn)一步地，步驟3)中，當(dāng)相鄰兩次仿真的溫度差在逐次熱電耦合仿真中不斷增大導(dǎo)致熱失控，則修改rtl級(jí)電路設(shè)計(jì)及修改芯片封裝的邊界條件。

14、第二方面，本發(fā)明公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)所述方法的熱電耦合仿真系統(tǒng)，包括：

15、lib文件獲取模塊，其用于對(duì)工藝庫(kù)中所有的標(biāo)準(zhǔn)單元在不同溫度下進(jìn)行單元表征，一個(gè)溫度下的單元表征結(jié)果構(gòu)成一個(gè)lib文件；

16、溫度-模塊功耗表格獲取模塊，其用于將待進(jìn)行熱電耦合仿真的芯片對(duì)應(yīng)的rtl級(jí)網(wǎng)表及每一個(gè)溫度下的lib文件進(jìn)行邏輯綜合與功耗分析，獲得每一個(gè)溫度下rtl級(jí)網(wǎng)表的各個(gè)模塊的功耗，建立溫度-模塊功耗表格；

17、熱電耦合仿真模塊，其用于對(duì)各模塊的功耗進(jìn)行逐次熱電耦合仿真；其中，首次仿真時(shí)，選定一個(gè)初始溫度，將溫度-模塊功耗表格中該溫度下各模塊的功耗輸入到熱仿真工具h(yuǎn)otspot中進(jìn)行熱仿真，獲得各模塊的初始仿真溫度；

18、下次仿真時(shí)，在溫度-模塊功耗表格中查找上一次仿真溫度對(duì)應(yīng)的各模塊功耗，并將功耗輸入到熱仿真工具h(yuǎn)otspot中進(jìn)行仿真，獲得各模塊的本次仿真溫度，計(jì)算相鄰兩次仿真獲得的仿真溫度的差值；

19、優(yōu)化模塊，其用于將仿真溫度的差值與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)仿真溫度的差值小于預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，結(jié)束熱仿真操作，獲得最后一次熱仿真時(shí)各模塊的仿真溫度，并根據(jù)獲得的仿真溫度優(yōu)化芯片中各模塊的布局規(guī)劃；當(dāng)相鄰兩次仿真的溫度差在逐次熱電耦合仿真中不斷增大導(dǎo)致熱失控，則修改rtl級(jí)電路設(shè)計(jì)及修改芯片封裝的邊界條件。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

21、本發(fā)明采用了標(biāo)準(zhǔn)單元表征、電路邏輯綜合和功耗分析等技術(shù)方法，從rtl級(jí)代碼電路各模塊功耗分析，到考慮制造工藝、泄漏功耗和溫度的反饋，提出了一種芯片級(jí)熱電耦合仿真方法，克服了現(xiàn)有熱電耦合技術(shù)中，不考慮泄漏功耗或考慮了泄漏功耗但不考慮制造工藝的仿真方法缺陷，從而取得了比開(kāi)源熱仿真工具h(yuǎn)otspot使用經(jīng)驗(yàn)公式處理泄漏功耗的方法誤差更小的熱仿真方法(以商用熱仿真工具icepak為基準(zhǔn))；再基于相鄰兩次熱仿真獲得的仿真溫度的差值，優(yōu)化芯片中各模塊的布局規(guī)劃，最終獲得最優(yōu)的模塊布局規(guī)劃。

技術(shù)特征：

1.一種面向集成電路早期設(shè)計(jì)階段的熱電耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中，使用cadence?liberate工具對(duì)工藝庫(kù)中所有的標(biāo)準(zhǔn)單元在不同溫度下進(jìn)行單元表征。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中，所述lib文件包括標(biāo)準(zhǔn)單元在不同輸入狀態(tài)下的時(shí)序和功耗信息。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2)中，在進(jìn)行邏輯綜合與功耗分析前，先使用library?compiler工具將lib文件轉(zhuǎn)換為db文件。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中，所述邏輯綜合與功耗分析通過(guò)design?compiler實(shí)現(xiàn)；使用design?compiler進(jìn)行邏輯綜合與功耗分析時(shí)，所述designcompiler的輸入還包括時(shí)序約束，所述時(shí)序約束包括時(shí)鐘周期、時(shí)鐘偏移、時(shí)鐘延時(shí)、輸入延時(shí)和輸出延時(shí)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)中，所述初始溫度為25℃。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3)中，若所述上一次仿真溫度落在表格中的相鄰兩個(gè)溫度值之間時(shí)，使用線性插值獲得該仿真溫度下各個(gè)模塊的功耗值。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)中，當(dāng)相鄰兩次仿真的溫度差在逐次熱電耦合仿真中不斷增大導(dǎo)致熱失控，則修改rtl級(jí)電路設(shè)計(jì)及修改芯片封裝的邊界條件。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述芯片封裝的邊界條件包括芯片最外層散熱鰭片與空氣間的熱阻。

10.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求8所述方法的熱電耦合仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種面向集成電路早期設(shè)計(jì)階段的熱電耦合仿真方法，涉及集成電路分析技術(shù)領(lǐng)域。包括：對(duì)工藝庫(kù)中所有的標(biāo)準(zhǔn)單元在不同溫度下進(jìn)行單元表征，并獲得lib文件；在這些lib文件下綜合并分析電路的功耗，建立該電路溫度?模塊功耗表格；在初始溫度下，將電路各模塊的功耗輸入到熱仿真工具HotSpot中進(jìn)行熱電耦合仿真，獲得各模塊的初始仿真溫度；在表格中根據(jù)上一次仿真溫度查表得到各模塊的功耗，并再次進(jìn)行仿真，獲得本次仿真溫度；迭代上述步驟并計(jì)算相鄰兩次仿真獲得的仿真溫度的差值；根據(jù)是否迭代收斂及溫度差重新設(shè)計(jì)電路、各模塊的布局以及芯片封裝的邊界條件。本發(fā)明用于早期電路設(shè)計(jì)中獲取可靠的芯片溫度分布及布局優(yōu)化等。

技術(shù)研發(fā)人員：朱曉雷,劉星辰,王增一,邵雷來(lái),余志平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2