Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke

Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában PhD szeminárium 2010. május 14. http://www.eet.bme.hu

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Elektronikus Eszközök Tanszéke

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!

2010. 05. 14.

Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában © Timár András

2



1.

2. 3.

Digitális standard cellás áramkörök logikai és termikus együttes vizsgálata valós idejű szimulációkkal Hőmérsékletfüggő késleltetések számítása és futásidejű visszahelyettesítése a szimulációba Folyadékkristályos hőtérképek hibakorrekciója elektro-termikus szimulációval

2010. 05. 14.


3



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

2010. 05. 14.


4



1. Tézis ► 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. 2010. 05. 14.


5



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. A hot-spot helye szempontjából a cellaszintű felbontás elegendő. Egy 64-bites számláló standard cellás topológiája 2010. 05. 14.


6



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.

2010. 05. 14.


7



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.

2010. 05. 14.


8



A logi-termikus szimuláció eredménye

Logikai szimuláció

Hőmérséklet-eloszlás 2010. 05. 14.


9



1. Tézis ► 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.

2010. 05. 14.


10



A logi-termikus szimuláció folyamata Szimuláció

Cellakarakterizáció

Magasszintű tervezés

2010. 05. 14.


11



1. Tézis ► 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.

2010. 05. 14.


12



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!

2010. 05. 14.


13



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 (Emax) Minimális energia (Emin) ► Lényeges

méretcsökkentés ► CMOS technológia esetén jól közelíti a valóságot

2010. 05. 14.


14



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 Emax-xal növelem. Ha csak a bemeneten történt jelváltás (belső állapotváltozás), akkor az akkumulátor értékét Emin-nel növelem.

►

T2

Az így kapott energiaértékeket súlyozom az ε = P(t )dt ∫T adott cella fan-out-jával és osztom az eltelt szimulációs idővel. Fanout Az így kapott teljesítmény értékekkel ε Paverage = indítom a termikus szimulátor motorját Telapsed (Therman). 1

►

2010. 05. 14.


15



Az 1. tézishez kapcsolódó publikációk

2010. 05. 14.


16



Az 1. tézishez kapcsolódó publikációk 1.

2.

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 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

2010. 05. 14.


17



1.

2. 3.

Digitális standard cellás áramkörök logikai és termikus együttes vizsgálata valós idejű szimulációkkal Hőmérsékletfüggő késleltetések számítása és futásidejű visszahelyettesítése a szimulációba Folyadékkristályos hőtérképek hibakorrekciója elektro-termikus szimulációval

2010. 05. 14.


18



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)

2010. 05. 14.


19



2. Tézis ►

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).

2010. 05. 14.


20



3. Tézis ► 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.

2010. 05. 14.


21



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. 2010. 05. 14.


22



Folyadékkristályos hőtérképezés

2010. 05. 14.


23

Elektro-termikus szimulációk a mikroelektronikában

Recommend Documents