可编程逻辑电路设计之时序与功耗分析工具

1.时序分析工具

时序分析工具用来检查同步电路设计是否满足给定的时序约束（包括建立时间Setup约束、保持时间Hold约束等），分为静态时序分析（Static Timing Analysis, DTA）两种方法。

静态时序分析是一种针对大规模门级电路进行时序验证的有效方法。它不需要测试向量，根据单元库中的时序模型和电路网表的拓扑结构，利用统计线网负载模型或SDF（Standard Delay Format,标准延时格式）文件中的电阻电容反标值计算时序路径延迟，检查每一个触发器的建立和保持时间是否满足设计要求。它的优点是覆盖率高，速度快；缺点是不能分析异步逻辑电路和模拟电路。

静态时序分析用工艺角（Corner）来反映不同的工艺/电压/温度等环境下电路的工作条件。工艺角下的单元库中定义了单元的时序模型（包括时序延迟值和时序约束值）。理论上时序收敛要保证芯片在各个工作场景（Scenario）下都没有时序违例，而实际操作中会选取某一个或几个特殊的工艺角去检查。

（1）单一模式：采用同一个工艺角条件，分析整个电路中时序路径的建立时间和保持时间。

（2）BC- WC（Best-Case/Worst-Case）模式：用最好条件分析时序路径的保持时间，用最差条件分析时序路径的建立时间。BC- WC模式的时序检查如图5-119所示。

（3）OCV（On-Chip Variation）模式：利用放大及缩小倍数，分析建立时间时，令数据路径传输慢一些，时钟路径传输快一些；分析保持时间时，令数据路径传输快一些，时钟路径传输慢一些。OCV模式的时序检查如图5-120所示。

在28nm及更先进工艺条件下，新出现的AOCV(Advanced OCV)方法对OCV进行了扩展和延伸。它消除了OCV的不利因素，根据时序路径的不同逻辑层次深度和物理距离，查表得到每个单元具体的时延值。

为了应对芯片内部及芯片之间出现的系统性和随机性变化，时序分析工具又引入了统计静态时序分析（Statistical Static Timing Analysis,SSTA）方法。该方法利用概率分布函数，计算每个节点上每个信号的到达时间以减少不必要的时序过度修正。SSTA方法的难点在于概率函数难以计算，而且庞大的统计数据也造成了内存需求量增大，运行时间增长。

在16nm工艺条件以下的SoC设计以及物联网（IoT）超低电压设计中，以工艺角时延为基础的STA计算已经不再准确，而需要采用基于晶体管级仿真的动态时序分析方法。该方法采用并行化处理和特殊加速技术，针对关键时序路径进行高精度快速仿真，以获得时序路径准确的时序信息，帮助时序收敛。

2.功耗分析工具

功耗分析工具用于对电路中的温度、翻转频率、负载、电流、电压、功耗等进行统计报告，分析IR压降（IR-Drop）和电迁移（Electro Migration,EM）等现象引起的电路功耗完整性问题，其主要功能包括如下。

（1）信号完整性分析：检查APL/LIB/LEF等库单元数据，以及DEF/SPEF/IPF/STA/VCD等设计数据是否正确且完整。

（2）设计弱点分析：检查电源地网络的电阻、电容、峰值电流等设计指标是否与预期值相符（可能由于Pad分布不合理、电源地线布线不优化、频率过高等导致偏差）。

（3）热点（Hot Spot）分析：检查电路中的静态电阻电流、动态压降、功耗、电迁移等相关项是否满足签核标准，如有违反则定位问题所在区域并追溯其原因。

审核编辑 ：李倩