Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában

Átírás

1 Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában PhD szeminárium május 14.

2 Bevezetés Miért van szükség elektro-termikus szimulációkra? Mert napjaink integrált áramköreiben a termikus hatások akár meg is hiúsíthatják az áramkör működését. Ezekkel a hatásokkal már a tervezés során számolni kell! Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 2

3 1. Digitális standard cellás áramkörök logikai és termikus együttes vizsgálata valós idejű szimulációkkal 2. Hőmérsékletfüggő késleltetések számítása és futásidejű visszahelyettesítése a szimulációba 3. Folyadékkristályos hőtérképek hibakorrekciója elektro-termikus szimulációval Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 3

4 Motiváció Elektro-termikus szimulációk segítségével már a tervezés korai fázisában, a fizikai elhelyezés és bekötés (P&R) után megállapíthatók a hot-spotok helyei az áramkörön Az elhelyezés és huzalozási algoritmus befolyásolható a termikus szimulációk eredménye függvényében A hőmérsékletfüggő időzítések szimulálhatóak és az áramkör korrekt működése ellenőrizhető Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 4

5 1. Tézis Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Újszerű szimulációs eljárást dolgoztam ki digitális standard cellás áramkörök logikai és termikus együttes vizsgálatára. Az eljárás megvalósítása szabványos interfészek segítségével csatlakozik a már meglévő, ismert és elterjedt IC tervezeő alkalmazásokhoz. Az eljárás segítségével lehetővé válik a digitális standard cellás áramkörök termikus szimulációja a valós működés és a cellák teljesítmény-karakterisztikája alapján már a tervezés fázisában. Az eljárás segítségével az eszközök termikus tulajdonságai modellezhetők a valós működést figyelembevéve és megelőzhető a gyártás utáni termikus problémákból adódó újratervezés szükségessége Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 5

6 RTL szintű elektro-termikus szimuláció A szimulált integrált áramkörben a szimuláció alapegysége a standard cella. Az elektro-termikus szimuláció valójában logi -termikus. Logikai szimuláció digitális gerjesztéssel. Előnye: Gyorsabb szimulációt tesz lehetővé, mint pl. a végeselemes módszer. Hátránya: Kisebb felbontás érhető el. Egy 64-bites számláló standard cellás topológiája A hot-spot helye szempontjából a cellaszintű felbontás elegendő Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 6

7 RTL szintű elektro-termikus szimuláció (2) A gerjesztés megfelel a valós működés stimulusának. A cella szintű felbontás igény esetén tovább növelhető, ha figyelembe vesszük a cellák tranzisztorainak aktív zónáit. Így jó közelítést kapunk az analóg elektro-termikus szimulációhoz, de rövidebb idő alatt. Kompromisszum a felbontás és a szimulációs idő között Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 7

8 Hőmérsékleti térkép meghatározása A logikai gerjesztés alapján számolható a disszipáció-sűrűség az áramkör felületén. Szükség van a cellák teljesítmény-karakterizációjára A disszipáció-sűrűség és eloszlás függvényében számolható a kialakuló hőmérsékleti térkép. A hőmérsékleti térkép akár a teljes tokozott áramkör modelljével is szimulálható. Lehetőség van termikus kompakt modellek csatolására is Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 8

9 A logi-termikus szimuláció eredménye Logikai szimuláció Hőmérséklet-eloszlás Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 9

10 1. Tézis Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 1.1 Tézis Megállapítottam, hogy az integrált áramkörök cella szintű elektro-termikus szimulációja alkalmas a hot-spotok és a hőmérsékleti eloszlás felderítésére már a tervezés fázisában Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 10

11 A logi-termikus szimuláció folyamata Szimuláció Magasszintű tervezés Cellakarakterizáció Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 11

12 1. Tézis Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 1.2 Tézis Új eljárást dolgoztam ki standard cellás áramkörök logi-termikus szimulációjára, mely szabványos felületeken keresztül csatlakozik már létező logikai és termikus szimulátorokhoz. Az eljárás segítségével lehetőség nyílik a hőmérsékletfüggő késleltetések figyelembevételére és azok futásidejű visszahelyettesítésére a szimuláció közben Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 12

13 Cella teljesítmény karakterizáció A cellakönyvtár minden cellájára el kell végezni: Minden lehetséges bemeneti kombinációhoz tartozó fogyasztási érték kiszámítását Ezek eltárolását egy adatbázisba Felhasznált eszköz: ELDO analóg szimulátor A P(T) függvény alatti terület adja az adott átmenethez tartozó energia fogyasztást. A keletkező adatbázis nagy lesz, ezt egyszerűsíteni kell! Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 13

14 Adatbázis egyszerűsítés Az adatbázisban nem minden logikai átmenethez tároljuk el a kiszámolt energia értéket, csak a legnagyobbhoz és a legkisebbhez. Az adatbázis a cellakönyvtár egy-egy cellájához tehát három adatot tárol: Cella neve Maximális energia (E max ) Minimális energia (E min ) Lényeges méretcsökkentés CMOS technológia esetén jól közelíti a valóságot Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 14

15 A teljesítmény-sűrűség számítása A logikai szimuláció közben kinyerem a logikai jelváltásokat. A jelváltások bekövetkeztekor a cella teljesítmény- karakterisztikája alapján a disszipált energiát egy akkumulátorban gyűjtöm a következő algoritmus szerint: Ha mind a bemeneten mind a kimeneten történt jelváltás, akkor az akkumulátor értékét E max -xal növelem. Ha csak a bemeneten történt jelváltás (belső állapotváltozás), akkor az akkumulátor értékét E min -nel növelem. Az így kapott energiaértékeket súlyozom az adott cella fan-out-jával és osztom az eltelt szimulációs idővel. Az így kapott teljesítmény értékekkel indítom a termikus szimulátor motorját (Therman). ε = P T T 2 1 average Pt ()dt = Fanout ε T elapsed Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 15

16 Az 1. tézishez kapcsolódó publikációk Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 16

17 Az 1. tézishez kapcsolódó publikációk 1. A. Timár, Gy. Bognár, A. Poppe, M. Rencz, Electro-thermal cosimulation of ICs with runtime back-annotation capability, Proceedings of the Therminic 2010 Conference, Spain, 2010 October 2. A. Timár, A. Poppe, M. Rencz, A Novel Approach of Logi-thermal Simulation Methodology and Implementation for ASIC Designs, Proceedings of the 17th MIXDES Conference, Poland, 2010 June, accepted for publication Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 17

18 1. Digitális standard cellás áramkörök logikai és termikus együttes vizsgálata valós idejű szimulációkkal 2. Hőmérsékletfüggő késleltetések számítása és futásidejű visszahelyettesítése a szimulációba 3. Folyadékkristályos hőtérképek hibakorrekciója elektro-termikus szimulációval Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 18

19 Motiváció Az elektro-termikus szimuláció segítségével meghatározhatóak az áramkör hot-spot-jai. Az időzítések az áramkörben az eszközök termikus függősége miatt változhatnak. Szélsőséges termikus értékeknél az időzítések, késleltetések annyira eltolódhatnak, hogy az áramkör megfelelő logikai működése meghiúsulhat. (pl. setup és hold time megszegése) Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 19

20 2. Tézis Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Módszert dolgoztam ki digitális standard cellás áramkörök logi-termikus szimuláción alapuló késleltetés mérésére és azok visszahelyettesítésére logikai szimuláció közben. A módszer lehetővé teszi, hogy a valós működés logikai szimulációja közben valós időben figyeljük meg a hőmérsékletváltozások hatását a késleltetési időkre. Az eljárás segítségével a hőmérsékletfüggő késleltetéseket a logikai szimuláció futtatása közben azonnal érvényesíteni tudom, és a szimulátor a legfrissebb késleltetési időkkel számol tovább. A módszer jelentős előnye, hogy így már tervezési időben figyelembe vehetők a hőmérsékletfüggő késleltetések hatásai, melyek akár a funkcionális működést is meghiúsíthatják (pl. setup és hold time) Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 20

21 3. Tézis Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Eljárást dolgoztam ki digitális integrált áramkörök hőtérképének meghatározására és a hőtérkép hibakorrekciójára folyadékkristály felvitelével. Módszert dolgoztam ki a valós működés közben megfigyelt hőtérkép és a folyadékkristályos mérés hőtérképe közötti hiba korrigálására Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 21

22 Motiváció A folyadékkristály egy meghatározott hőmérsékleten polaritást vált, mely optikai mikroszkóppal megfigyelhető. A mérés során az integrált áramkör melegedésétől és a folyadékkristály polarizációs hőmérsékletétől függően izotermák válnak láthatóvá a mikroszkópos felvételen. Annak érdekében, hogy teljes hőtérképet készítsünk az integrált áramkörről, a teljes áramkör környezeti hőmérsékletét egy adott intervallumban fokozatosan változtatni kell. Így a folyadékkristályon minden egyes környezeti hőmérséklet értékre különböző izoterma jelenik meg az áramkör működése függvényében. Probléma, hogy a mérendő chip környezeti hőmérsékletének változtatása során az integrált áramkör termikus és elektromos működése is megváltozik, ami azt eredményezi, hogy az izoterma térképet különböző munkapontokhoz készítjük el és a végső hőtérkép eltér a valóságostól Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 22

23 Folyadékkristályos hőtérképezés Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában Timár András 23