UltrasparcIII處理器設(shè)計(jì)的物理驗(yàn)證

1、Ultrasparc III處理器設(shè)計(jì)的物理驗(yàn)證        IC設(shè)計(jì)的規(guī)模越來(lái)越大，物理驗(yàn)證的難度也越來(lái)越大，選擇合適的驗(yàn)證工具和操作步驟可以提高驗(yàn)證效率。本文研究了Sun微系統(tǒng)公司在開(kāi)發(fā)Ultrasparc III處理器的成功經(jīng)驗(yàn)，為當(dāng)前IC設(shè)計(jì)的物理驗(yàn)證解決方案提供借鑒。      自1990年以來(lái)，Sun微系統(tǒng)公司就致力于用各種各樣的指標(biāo)跟蹤那些影響設(shè)計(jì)復(fù)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(jì)方法，利用此方法可以規(guī)避當(dāng)前I

2、C設(shè)計(jì)所面臨的困難。該方法源自于Ultrasparc III處理器的開(kāi)發(fā)過(guò)程。Ultrasparc III采用了專為1,000路可升級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的600MHz、64位處理器芯片，具有極大的物理驗(yàn)證難度。      1991年，Sun微系統(tǒng)公司IC設(shè)計(jì)組就采用了約有40種工具的設(shè)計(jì)流程。4年之后，工具的數(shù)目增加到100種，而到了1999年則達(dá)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(jì)組的規(guī)模也增大到10倍。附表中顯示了芯片設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)模及其更高的性能要求，原有的物理驗(yàn)證流程需要進(jìn)行大規(guī)模升級(jí)。在整個(gè)設(shè)計(jì)思路中利用對(duì)相互依存的設(shè)計(jì)復(fù)雜度的深刻理解，提出了一整套的物理驗(yàn)證工具選擇基準(zhǔn)。      主要的流程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是裸片的面積優(yōu)化和功率分配，并實(shí)現(xiàn)芯片的最佳性能。對(duì)于Ultrasparc III處理器而言，最佳性能意味著達(dá)到可能的最高頻率、最小晶體管、低電壓、高電流和大量的動(dòng)態(tài)邏輯。      此外，以前單獨(dú)考慮的設(shè)計(jì)決策現(xiàn)在產(chǎn)

4、生了相互覆蓋的問(wèn)題，邏輯、電子和物理設(shè)計(jì)之間的分割也被消除。以前，垂直設(shè)計(jì)策略假定單層結(jié)構(gòu)適合于設(shè)計(jì)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(jì)則必須綜合考慮，三者之間相互依存。對(duì)于如時(shí)鐘、電源和中繼電路等基本功能部分，必須進(jìn)行滿足復(fù)雜度的分析和設(shè)計(jì)，同時(shí)保證降低指令處理延遲并消除信號(hào)傳送干擾。Ultrasparc III項(xiàng)目還必須對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行更為精確的多維分析。      在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必然會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題的權(quán)衡和折衷。需要考慮的主要問(wèn)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(shí)的單元庫(kù)與需要手工設(shè)計(jì)的元件之間的權(quán)衡。      3. 調(diào)整庫(kù)元件以滿足不同的需求。例如，不采用單一的“nand2”標(biāo)準(zhǔn)單元，而采用具有不同驅(qū)動(dòng)強(qiáng)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(hào)延遲降低至最小的同時(shí)，使時(shí)鐘相位差也最小。     

6、60;此外，還必須解決當(dāng)前存在的分層設(shè)計(jì)問(wèn)題。IC設(shè)計(jì)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(lái)越多，在各層和各抽象體中所需運(yùn)行的物理驗(yàn)證也相應(yīng)增多。物理驗(yàn)證工具必須能快速、高效地動(dòng)態(tài)識(shí)別重復(fù)性元件(如單元和宏等)，并準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)所存在的錯(cuò)誤。      設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)思想，使其產(chǎn)品能率先投放市場(chǎng)。其設(shè)計(jì)方法支持能提升生產(chǎn)率，并易于在整個(gè)中央運(yùn)算架構(gòu)中進(jìn)行配置的高性能工

7、具，這不僅有利于在項(xiàng)目中運(yùn)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和工具標(biāo)準(zhǔn)，在任何需要加速設(shè)計(jì)的地方實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理，并能對(duì)某些獨(dú)特的元件按需要進(jìn)行手工處理，還可利用迭代方法(包括全芯片集成、無(wú)效數(shù)據(jù)流程處理和單步驗(yàn)證及分析)進(jìn)行連續(xù)改進(jìn)和校正。      在Ultrasparc III處理器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，每個(gè)設(shè)計(jì)部分均采用專有流程。開(kāi)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(jì)完成就可創(chuàng)建后續(xù)階段。在并行過(guò)程中，只需對(duì)那些中等和最小規(guī)格的構(gòu)件模塊進(jìn)行估計(jì)就可完成整個(gè)芯片設(shè)計(jì)的創(chuàng)建。有時(shí)還能用“黑盒子”表示該數(shù)據(jù)，有時(shí)則可應(yīng)用尚未通過(guò)驗(yàn)證的實(shí)際模

8、塊。      在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，集成模式還將用到交互作用，通過(guò)智能迭代得到基于預(yù)估和假定方案的快速結(jié)果。實(shí)物塊由下至上進(jìn)行釋放，并且每個(gè)設(shè)計(jì)階段均帶有一個(gè)驗(yàn)證過(guò)程。當(dāng)前許多適用的物理驗(yàn)證工具都能迅速對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但當(dāng)存在重大的實(shí)際錯(cuò)誤時(shí)(如在迭代的并行設(shè)計(jì)流程中)，這些工具的運(yùn)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(jì)工藝中可靠地驗(yàn)證和集成EDA工具必須考慮以下9條準(zhǔn)則：      1 標(biāo)準(zhǔn)。所有的工具必須支持公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)流程中方便地集成。      2 顯著的靈活度。工具必須能對(duì)流水線設(shè)計(jì)環(huán)境下的所有迭代、分析和校正參數(shù)進(jìn)行處理。      3 后期連接(late binding)。工具必須能自動(dòng)適應(yīng)硬件結(jié)構(gòu)的變化，并且隨著設(shè)計(jì)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(jì)驗(yàn)證。此外，還能通過(guò)與先進(jìn)的計(jì)算中心兼容以提高自動(dòng)化效率。      4 流水線設(shè)計(jì)的無(wú)狀態(tài)系統(tǒng)(Stateless system)。設(shè)計(jì)工程師需要同時(shí)使用不同的設(shè)計(jì)方法，而不必保留數(shù)據(jù)或在每個(gè)設(shè)計(jì)階段保持?jǐn)?shù)據(jù)。工具不應(yīng)帶有任何可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)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(yùn)算資源的優(yōu)化使用，并與其它工具兼容。這有助于提高運(yùn)行時(shí)的效率和靈活度，并可避免單點(diǎn)故障。     &

11、#160;6 面向批量任務(wù)的便捷操作。一個(gè)工具不僅不能增加運(yùn)算資源的負(fù)擔(dān)，還必須支持成批數(shù)據(jù)在最適于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算操作時(shí)通過(guò)計(jì)算中心進(jìn)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(dú)立于工具提供商的環(huán)境下進(jìn)行操作，即單個(gè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)在組合和測(cè)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(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，而不會(huì)對(duì)整個(gè)操作產(chǎn)生不利影響。計(jì)算密集型操作工作于受控的網(wǎng)絡(luò)資源(計(jì)算中心

12、)下，通常保留工具供應(yīng)商的設(shè)計(jì)格式，否則轉(zhuǎn)化為Sun微系統(tǒng)公司的標(biāo)準(zhǔn)。      8 將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)流程。Sun微系統(tǒng)公司在設(shè)計(jì)工藝和工具應(yīng)用中采用了遞增的分層設(shè)計(jì)，并行展開(kāi)開(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)發(fā)進(jìn)程減慢的問(wèn)題。      9 采用最佳工具。最佳工具是成功實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和市場(chǎng)目標(biāo)的必要保障，而選擇易于>' target='_blank' class='infotextkey'>管理的工具也

13、相當(dāng)關(guān)鍵。      選擇正確的驗(yàn)證工具      在選擇Ultrasparc III處理器項(xiàng)目的物理驗(yàn)證工具時(shí)，Sun微系統(tǒng)公司考慮了3個(gè)核心標(biāo)準(zhǔn)。      功能：能處理無(wú)效數(shù)據(jù)，符合Sun微系統(tǒng)公司的分層設(shè)計(jì)思想，并能規(guī)避早期工具中遞增設(shè)計(jì)規(guī)則校驗(yàn)(DRC)運(yùn)行特性方面的限制。      性能：滿足12小時(shí)的周轉(zhuǎn)時(shí)間。   

14、;   容量：可提供2,900萬(wàn)個(gè)晶體管、124個(gè)庫(kù)和17萬(wàn)個(gè)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(jìn)行物理驗(yàn)證。      雖然設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)非常熟悉以前使用多年的物理驗(yàn)證工具，但是隨著設(shè)計(jì)工藝的進(jìn)步，原有的工具已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)需要。在新的設(shè)計(jì)流程中，Sun微系統(tǒng)公司采用了來(lái)自Mentor Graphics的Calibre。對(duì)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(shí)際應(yīng)用中只用了8個(gè)月就完成了這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程。      能如此快速而成功地轉(zhuǎn)向新的設(shè)計(jì)工具是由于以下兩個(gè)原因：公司傳達(dá)了明確的目標(biāo)和要求，簡(jiǎn)明無(wú)誤的表述了驗(yàn)證準(zhǔn)則并準(zhǔn)備了明確的測(cè)試實(shí)例；Mentor Graphics在整個(gè)過(guò)程中提供了專門(mén)培訓(xùn)和資深Calibre應(yīng)用工程師的技術(shù)支持。      Calibre具有先進(jìn)的分層處理引擎，是唯一能在提高驗(yàn)證速率的同時(shí)，可自動(dòng)分析設(shè)計(jì)步驟并優(yōu)化重復(fù)設(shè)計(jì)分層的物理驗(yàn)證工具。例如，在Calibre完成設(shè)計(jì)并驗(yàn)證設(shè)計(jì)庫(kù)后，將其傳送到中央?yún)^(qū)域，然后Calibre重新驗(yàn)證設(shè)計(jì)庫(kù)元件。在設(shè)計(jì)庫(kù)開(kāi)發(fā)流程中，單元和其它電路元件將進(jìn)行5次驗(yàn)證，以降低失敗風(fēng)險(xiǎn)并消除錯(cuò)誤。