Konstruksjon av gode ledninger

Transkript

1 4.6 Wire Engineering 4.7 Design Margins INF3400 Del 14 Øivind NæssN INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 1/25 Konstruksjon av gode ledninger Ønsker å oppnå lav forsinkelse, lite areal og lavt effektforbruk med akseptabelt støyniv ynivå Frihetsgrader: Bredde Bredere: lavere R men høyere h C, men lavere RC siden R avtar raskere enn C pga. strøkapasitanser Avstand Større avstand reduserer C Lag De øvre lagene er tykkere og har lavere R INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 2/25

2 Forsinkelse og koplingskapasitans Bedre å øke bredden påp lederen enn å øke avstanden mellom lederne for å forbedre forsinkelsen Økning av avstanden mellom lederne fremfor å øke bredden forbedrer koplingseffekten Pitch = width + spacing Delay (ns): RC/ Pitch (nm) Coupling: 2C adj / (2C adj +C gnd ) Pitch (nm) Wire Spacing (nm) INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 3/25 Buffring Både R og C er proposjonal med l (lengden påp ledningen) Tidskonstanten til ledningene, eller RC-forsinkelsen er proposjonal med l 2 Uakseptabelt høy h y for lange ledninger Del opp ledningene i N kortere segmenter Hvert segment drives av en inverter eller et buffer Hvert segment vil fåf en tidsforsinkelse påp l 2 /N Hvis antall segmenter er proposjonal med lengden vil den totale forsinkelsen øke lineært med lenden INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 4/25

3 Inverter som repeater Hvor mange buffere/repeatere repeatere skal brukes? Hvor stor skal hvert buffer være? v Ekvivalent krets Lengde l på ledningen Ledningskapasitans C w l, motstand R w l Inverter med bredde W (nmos = W, pmos = 2W) 2 Gate-kapasitans C W, motstand R/W INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 5/25 Inverter som repeater RC flight time for hvert ledd: (l/n)( 2 Kan beregne lengden mellom hvert buffer ved bruk av Elmore delay (sett l N = 2RC R C w w Forsinkelsen per lengde-enhet enhet er gitt ved: t pd l ( 2 2) = + RCR C w w For å oppnå denne forsinkelsen burde størrelsen påp inverteren være: RCw W = R C w INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 6/25

4 Buffer som repeater For å unngå polaritetsproblemer kan inverter-par brukes. Parene forårsaker rsaker større forsinkelse Den første f av inverterene burde være v lite for å bidra med liten last til linjen. Den andre burde være v større for å drive den etterfølgende linjen Ca. 7% mer tidsforsinkelse per lende-enhet enhet Trenger totalt færre f repeatere INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 7/25 Innvirkninger påp Logical Effort Ledningskapasitansene er ikke-varierende og innvirker påp forgreinings-effort effort Forgreinings-effort effort avhenger av portene som skal drives og gitt ved (C( gate +C wire )/C gate Hvordan skal man betrakte C wire? C wire << C gate Kan ignorere C wire Beregne forholdet mellom C wire og C gate og legge dette til som parasittisk forsinkelse C wire >> C gate deler linjen i to deler: En som driver linjen, og en som mottar signal fra linjen Den første f delen designes for å drive last-kapasitansen til linjen Den siste delen kan ignoreres C wire = C gate Vanskelig å estimere Bruk stage effort på ca. 4 INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 8/25

5 Crosstalk Controll Staggered inverters Ladningskompansering Tvunnet Tvunnet differensiell signallering INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 9/25 Lav-sving signalering Lange ledninger forårsaker rsaker økt effektforbruk pga. at betydelige kapasitanser måm lades opp Reduksjon av signal-svinget svinget gir lineær r reduksjon av forsinkelsen t phl = C L V swing /2 I av Hver gang en ledningskapasitans lades opp eller utlades forbrukes det Q=CV swing. Gitt switche-frekvensen αf, l avg CV swing T 1 = i ( t) = αfcv drive T 0 swing P = I V = αfcv dynamic Ved å gjøre V swing og V drive lavere enn V dd kan ledningene bli raskere. INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 10/25 avg drive swing V drive

6 Lav-sving signalering Trenger en lav-sving driver og en sense-amplifier for å gjenopprette signal-svinget svinget Krever ofte differensielle løsninger l for å unngå problemer med støy Kompliserer designet betydelig Burde skru av driveren når n r signalet er sendt for å senke effektforbruket INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 11/25 Designmarginer Designmarginer er viktig å ta hensyn til pga. variasjon i miljøet rundt kretsene og usikkerhet rundt prosesseringen Forsyningsspenning Temperatur Prosessvariasjon Målet er å konstruere kretsene slik at de oppfører seg slik de skal innenfor de variasjonene som er forventet INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 12/25

7 Forsyningsspenning Forsyningsspenningen kan variere Spenningsregulatorer med lav toleranse Støy Spenningsfall over lange ledere Spesifiseres typisk +/-10% rundt nominell forsyningsspenning for hver logisk port Hastighet mulig operasjonsfrekvens er proposjonal med V dd. INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 13/25 Designmarginer Temperaturavhengighet i MOS transistorer (2.4.7, 90) Mobiliteten minker med temperatur Terskelspenningen senkes V ( T ) = V ( T ) k ( T T ) t t r vt r k vt er typisk mV/K Lekasjestrømmene gjennom pn-overgangene øker med temperaturen PÅ Å -strømmene avtar og AV -strømmene øker etterhvert som temperaturen øker INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 14/25

8 Geometri-avhengighet (2.4.8, s91) Reèlle dimensjoner kan variere i forhold til hva som tegnes i utlegget Prosesshuset bruker smalere masker Overetsing Source- og drain-regionene regionene overlapper gate Kortere effektiv kanallengde Variasjon i oksidet, t ox Variasjon i terskelspenning Komponenter med minimum størrelse burde ikke anvendes Relativ matching gir bedre resultat enn absolutt matching. INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 15/25 Design Corners (Hjørner) Den samlede effekten av prosess- og miljø- variasjoner kan samles til den effekten de har påp transistoren: Typisk Rask Treg Hastigheten til hver type transistor, variasjon i hastighet i interkonnekt og variasjon i miljø brukes til å definere design- eller prosess-hj hjørner Termen hjørne refererer til en imaginær r boks rundt garantert ytelse til kretsen INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 16/25

9 Design-hj hjørner Kretsene simuleres ved alle hjørnene for å sikre at de fungerer korrekt for alle tilfeller INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 17/25 Matching To transistorer er sjelden identiske Matching er viktig fordi operasjonen til et element står r som regel i forhold til operasjonen til et annet element Spesielt viktig i analoge kretser Klokkedistribusjon Systematiske variasjoner INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 18/25

10 Pålitelighet i kretser Upålitelighet i kretser kan gi varige skader Elektronmigrasjon Self heating Hot Carriers Latchup Overvoltage failure Mean Time Between Failures (MTBF) #enheter * #timer i bruk / #feil Failures in Time (FIT) Antall feil som forekommer hver timer per million enheter. 1000FIT er en feil hver 10 6 time = 114 år r (ganske bra for en chip) System med 100 chip er hver rangert med 1000FIT og man har 10 systemer, feilraten er 100*1000*10=10 6 FIT, eller en feil hver time (42 dager) 100FIT er ønskelig INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 19/25 Badekar -kurvenkurven De fleste systemer gjennomgår Badekar -kurvenkurven Svake eller dårlige d komponenter feiler som regel tidlig etter at de blir tatt i bruk Viktig at systemer blir testet gjennom infant mortality (burn in) før f r de blir solgt Systemer blir også ofte testet mht levetid ved å simulere aldringsprosessen. INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 20/25

11 Elektronmigrasjon Elektronmigrasjon skaper utarming av metall-interkonnekt Høy y strømtetthet fører f til elektron vind som forårsaker rsaker at metall-atomene atomene migrerer over tid. Avhenger av strømtettheten J=I/wt wt.. Strømgrensen er vanligvis uttrykt som maksimum J dc. Forekommer mest sannsynlig for ledninger med DC-str strømmer. INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 21/25 Self Heating Høye strømmer dissiperer effekt, som øker temperaturen, Varme ledninger har økt motstand og forsinkelse Korte pulser med høye h strømmer kan smelte ledningene Elektronmigrasjon er primært rt et problem i ledningene til forsyningsspenningen, dvs. V dd og GND. Self heating er et problem i bidireksjonale signal-ledninger ledninger,, spesielt ledninger som kobler sammen nmos- og pmos-transistorer INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 22/25

12 Hot Carriers Når r transistorer switcher,, kan høy-energi ladninger injiseres inn i gate-oksidet og bli fanget der Skadet oksid forandrer I-V I V karakteristikken til transistorene Økt strøm m i pmos Lavere strøm m i nmos Hot Carriers forårsaker rsaker slitasje siden nmos- transistorene blir for trege Slitasjen kan begrenses ved å sette ned stige-tiden tiden INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 23/25 Latchup Parasittiske bipolar transistorer blir dannet av substrat, brønn og diffusjon Hvis disse transistorene skrues på, p, dannes en lav-resistiv veg mellom V dd og GND INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 24/25

13 Latchup Vanligvis er begge transistorene av, men latchup kan forekomme pga transient-str strømmer når r man slår r påp forsyningsspenningen, eller eksterne spenninger utenfor det normale operasjonsområdet Latchup kan forebygges ved å minimere de to resistansene Dette kan gjøres ved å ha mange substrat- og brønn nn-kontakter rundt transistorene og samle nmos-transistorene nær GND-linjen og pmos transistorene nær n V dd -linjen INF3400/4400 våren Design av ledere og design marginer 25/25