利用MCMM技术解决时序难以收敛的问题以及降低了芯片设计周期设计

如今的集成电路（Integrated Circuit，IC）设计往往要求芯片包含多个工作模式，并且在不同工艺角（corner）下能正常工作。工艺角和工作模式的增加，无疑使时序收敛面临极大挑战。本文介绍了一种在多工艺角多工作模式下快速实现时序收敛的技术---MCMM（Multicorner-Multimode）技术，该技术将工艺角和模式进行组合，对时序同时进行分析和优化，到达快速实现时序收敛的目的。该技术应用于一个80万门基于TSMC 0.152μm logic 工艺的电力网载波通信（PLC）芯片设计，设计实例表明，利用MCMM 技术不但可以解决时序难以收敛的问题，而且大大降低了芯片设计周期。

1 引言

随着集成电路工艺的不断发展，芯片受工艺、电压、温度（Process、Voltage、Temperature，PVT）的影响越来越严重，需要使用更多的工艺角来保证芯片在不同条件下能稳定工作；与此同时，随着芯片测试需求的增加和功能的增强，芯片的工作模式也在不断增加，这给芯片版图设计者带来了一系列的困难，其中最困难的当然是如何快速实现时序收敛，缩短设计周期。设计者必须保证芯片在相同工作模式不同工艺角下的时序收敛，当工艺角和工作模式数量多的时候，使用传统的方法来实现时序收敛绝非一件易事，需要大量的人工工作进行大量反复迭代，分析并消除模式之间的影响，有时甚至会出现时序难以收敛的情况。我们实验室设计的PLC 芯片，正是采用了Synopsis 公司IC Compiler 软件的MCMM 设计技术，完全放弃了传统的时序收敛方法，有效加速了实现时序收敛，缩短了设计周期。

2 传统的时序收敛实现方法

在传统的时序收敛和分析方法下，版图设计工程师需要在不同的工作模式之间来回切换设计约束进行分析优化，以满足同一时序路径在不同模式下的时序要求，如图1所示。

从图1中可以看出，这种方法的缺点是版图工具无法同时覆盖到所有模式下的时序，必须以串行的方法来修复各个模式的时序，还必须保证修复过程中模式之间没有影响，这无疑增加了各个模式之间的切换迭代次数和人工手动ECO 的时间。如果芯片的工艺角和模式越多，切换迭代次数就越多，工作量会大到让设计者难以接受的地步。

3 基于MCMM 技术

快速时序收敛实现方法MCMM 技术实现时序收敛的基本思想是，工艺角和模式组成场景（scenario），版图设计软件IC Compiler"吃进"所有scenario 的时序约束，激活关键的scenario，让软件自行评估和优化。同一条违例时序路径可能出现在不同的scenario中，评估这条违例路径在不同scenario中的时序裕量大小，例如一条路径在scenario1 中的裕量为-1，在scenario2中的裕量为-0.2，则认为其在scenario1中的权重更高，在权重最高的scenario1 中进行修复。具体流程如图2所示。

很明显，与传统方法相比，MCMM 技术将时序收敛的处理变以往的"串行"为"并行"，并且模式之间的影响完全交给版图软件来分析，省去了人工手动ECO的工作，从而大大减少了时序收敛的迭代次数和设计时间。

4 应用举例

以实验室一款PLC芯片为例，具体介绍如何使用MCMM技术来加速时序收敛。

4.2 基于MCMM 的时序收敛实现

在同时激活10 个scenario 的情况下，会出现服务器内存溢出，死机等状况，导致设计无法顺利进行。我们对这10 个scenario 进行了分析，其中MBIST_MAX,SHIFT_MAX,CAPTURE_MAX,MISSION 60_MAX 这4 个scenario 中，时钟频率最大的是MISSION60_MAX 中的60MHz，其余三个scenario 时钟频率只有10MHz，建立时间裕量都在9.9ns 以上，即使在修复过程中不激活，修复其它scenario 时带来的影响在承受范围之内，也不会对后续的绕线产生影响；在MISSION90_MAX 这个scenario中，时钟频率是90MHz，建立时间虽然没有违例，但是留下的裕量只有0.84ns，不足以抵挡修复其它scenario时带来的影响；剩下的5 个scenario 中，都有保持时间违例，必须进行修复。基于以上分析，我们选择同

时激活MISSION90_MAX, MISSION_MIN, MISSION 60_MIN, MBIST_MIN, SHIFT_MIN, CAPTURE_MIN这6个关键scenario 进行时序收敛，具体脚本如下：set_active_scenarios {MISSION90_MAX MISSION90_MIN MISSION60_MIN MBIST_MIN SHIFT_MIN CAPTURE_MIN}（激活关键scenario）foreach scenario [all_active_scenarios] {

current_scenario scenario set_clock_uncertainty -hold 0.2 [all_clocks]set_clock_uncertainty -setup 0.6 [all_clocks] set_prefer -min{tcb0152gbwp7twc/DEL015BWP7Ttcb0152gbwp7twc/DEL02BWP7T}set_fix_hold_options -preferred_buffer set_fix_hold [all_clocks]}（设定每个关键scenario 的时序裕量，用指定的std cell 来修复hold timing）update_clock_latency（更新clock 延迟）psynopt（进行时序修复）

4.3 结果分析

经以上操作，6个scenario 的时序路径同时经过优化之后，结果如表2 所示。

表2中结果表明，几乎所有模式都已经满足了时序要求， 只有MISSION90_MAX 的scenario有setup 时序的违例，为了修复该违例，只需激活该scenario，重新一次“psynopt”就可以到达时序要求。

我们也尝试用传统方法来修复该芯片的时序，由于模式数量多，导致模式间来回切换次数多于20次，加上模式之间时序干扰严重，人工参与分析工作量很大，时序收敛所需要的时间远远多于用MCMM技术所花的时间，MCMM 技术优势非常明显，具体结果如表3所示。

5 结语和展望

本文介绍了IC Compiler 的MCMM 同步优化技术，用一个设计实例阐述该技术的具体实现过程，结果显示大大节省了设计时间，也为版图设计工程师解决了人工分析干预的难题，具有一定的实际应用价值。在设计过程中我们从CTS 阶段后才开始采用MCMM 技术来达到芯片时序收敛的目的，在今后更复杂，要求更高的设计中，把MCMM 技术应用到一些关键步骤中，比如逻辑综合和place 等，并且综合考虑芯片功耗问题。

4.1 scenario 的定义

该芯片有2 种正常工作模式，时钟频率分别是90Mhz和60Mhz，3种DFT 测试模式，分别是shift模式，capture 模式和mbist 模式，需要工作在两个工艺角下，WCCOM 和BCCOM，也就是5种模式2个工艺角组成了10 个scenario，每个scenario 指定对应的寄生模型（TLU+ 文件），worst 和best，如表1所示。在WCCOM工艺角下检查建立时间（setup time），在BCCOM 工艺角下检查保持时间（hold time）。

定义scenario 的具体脚本如下：

create_scenario MISSION90_MAX （建立一个名叫MISSION90_MAXX 的scenario）set_operating_conditions \

-analysis_typeon_chip_variation \-max_library tcb0152gbwp7twc \-max WCCOM（指定时序分析类型和对应corner下的lib 库）set_tlu_plus_files \-max_tluplus ./test/cl0152g_lp6m_worst.tlup \-tech2itf_map ./techfiles/tluplus/star.map_6M（设定相应corner 的RC 寄生模型）source . /netlist /KOALA_ASIC_TOP_compiled_pass3_mission_90_mode_post.sdc（读入该模式的时序约束文件）。