基于GPM實現(xiàn)DDR2高速接口的應用設計和仿真

1. IBM GPM模型結構

隨著ASIC技術和工藝突飛猛進的發(fā)展，65/45nm工藝已成為當前設計的主流，高頻翻轉(zhuǎn)，沖擊電流求給ASIC后端版圖設計，封裝及系統(tǒng)設計帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，信號完整性問題，以及往往被忽略的因芯片接口電路同時開關造成的同步開關噪聲（SSN），由于影響到其相臨邏輯器件的穩(wěn)定和時序變得越來越關鍵。在芯片設計階段，需要對芯片的版圖布局、芯片封裝以及客戶板級信息進行建模和聯(lián)合仿真，才可以確保系統(tǒng)很好滿足整個系統(tǒng)性能的要求，提高設計的成功率。因此如何在物理設計前提供相對精確的仿真模型成為一個關鍵問題。

IBM在設計大規(guī)模芯片的過程中采用基于Hspice 語言建立的GPM（Generic Package Model）模型指導設計中的前仿與設計后驗證，它不僅包含封裝供電網(wǎng)絡和信號通路的模型，還包括芯片上的供電網(wǎng)絡、IO以及與芯片局部的SRAM、RA等邏輯電路和片上濾波電容（DECAP）的布局，另外客戶還可以加入實際的PCB負載模型與其連接組成完整的鏈路仿真模型。GPM模型的物理結構框圖如圖1所示。

圖1 IBM GPM物理結構框圖

其中，C4是用于連接芯片與封裝的焊球，Package VDD Supply是封裝上芯片內(nèi)核供電網(wǎng)絡，Package VDD2 Supply是封裝上的IO供電網(wǎng)絡，而Package GND Supply是封裝上GND網(wǎng)絡，On-Chip VDD Bus， On-Chip VDD2 Bus， On-Chip Ground Bus則是芯片上相應供電網(wǎng)絡。對圖1所示各個部分建模，可以方便地得到GPM模型的電路結構（如圖2）。

IBM的芯片采用結構相對固定的電源網(wǎng)絡，設計初期可以對于電源網(wǎng)絡建模使用一套標準的RLC參數(shù)模型，并可以根據(jù)實際設計所采用的布局，對芯片和封裝的電源網(wǎng)路RLC參數(shù)進行修正。對于不同的尺寸的芯片與封裝設計，通過調(diào)節(jié)BGA與C4端相應的電源管腳比例可以實現(xiàn)在不改變基本模型結構的情況下，調(diào)整接入仿真模型RLC網(wǎng)絡的比例近而接近實際設計。對于板級負載，GPM模型里也會提供標準接口。

圖2 GPM模型電路結構

GPM模型具體由以下幾個部分組成：

1）芯片內(nèi)部電源和地的電阻網(wǎng)絡；

2）芯片內(nèi)部電源/地網(wǎng)絡，和布線層所產(chǎn)生的寄生電容；

3）用來模擬時鐘buffer、splitter、latches以及組合邏輯的反相器鏈路結構；

4）封裝信號線、過孔、焊球模型；

5）封裝電源/地平面、過孔、焊球模型；

6）連接在模型提取窗口內(nèi)的器件電流模型

綜合考慮仿真速度與精度，作為局部仿真模型在90nm工藝下，一般芯片上提取窗口大小為800umX1200um。模型一般包含若干I/Os，信號線為有損傳輸線模型，信號線之間存在互感和互容，過孔、焊球等不連續(xù)性結構也采用RLC參數(shù)模型。

2. GPM模型的提取

GPM模型是一種基于SPICE的模型，由于門級仿真運算量即使可以抽取整個芯片的spice模型也無法完成仿真，因此在對芯片建模時只截取局部的信息，稱作GPM 窗口（如圖3）。根據(jù)芯片布局的實際情況，GPM窗口內(nèi)可能會包含不同類型和數(shù)量的存儲器、IO、DECAP等器件，建模的時候會根據(jù)全局線性預分析（基于快速線形分析工具）結果選取噪聲最大的窗口進行分析，其往往集中于IO及翻轉(zhuǎn)的邏輯最多，而DECAP最少含有大動態(tài)功耗器件的區(qū)域。

圖3 GPM窗口

對于一般的邏輯電路，GPM模型使用一串反相器來模擬其翻轉(zhuǎn)情況，而對于SRAM或者RA等IP核的模擬，GPM模型使用了已經(jīng)建好的簡化電流波形模擬這些IP核的翻轉(zhuǎn)，IO則使用了實際的SPICE模型進行仿真。

3. GPM仿真流程

GPM模型的建模和仿真具體實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 GPM模型建模和仿真流程

芯片布局開始制定時，GPM的建?？梢院臀锢碓O計同步進行，在IO的輸出端加載客戶負載模型進行SSN仿真，可以得出芯片上此切片電路的電氣數(shù)據(jù)（電壓，電流，抖動等）依此對電源去耦方案及布局進一步進行優(yōu)化調(diào)整直到滿足設計要求。一旦布局確定，原來建立的GPM模型就可以交給客戶用實際的PCB負載模型替換默認的負載，并結合實際的應用環(huán)境對IO的信號質(zhì)量、SSN和時序進行仿真，其結果可以幫助客戶在早期對系統(tǒng)的設計進行優(yōu)化，使問題盡量被發(fā)現(xiàn)并在早期將其解決。

4. GPM模型在DDR2設計中的應用

4.1 IO buffer設置：

實際應用不同，創(chuàng)建GPM模型的拓撲結構也不一樣，不同的IO buffer模型將直接影響仿真的結果。本文使用IBM的BSSTL18DDR2（單端）和BSSTL18DDR2DIFF（差分）IO buffer構造DDR2接口電路。

這兩種buffer都是雙向的，VDD操作電壓為1.1-1.3V， VDD180為1.65-1.95V，通常為1.8V。MCDHALF可以選擇驅(qū)動能力，當MCDHALF為“0”時，驅(qū)動為“Full”；當MCDHALF為“1”時，驅(qū)動為“Half”；MCTT0和MCTT1用來配置ODT，其真值表如表1所示：

表1 ODT控制信號設置

4.2 拓撲結構：

GPM模型能夠精確地對芯片內(nèi)部包括封裝進行建模，也支持客戶加入PCB上引入的實際負載信息，同時拓撲結構也很方便修改。圖5中顯示的就是DDR2在“讀”操作和“寫”操作時DQS（差分）和DQ（單端）的拓撲結構。

圖5 GPM實際拓撲結構示意圖

當然PCB實際負載可以是S參數(shù)模型，也可以是W-Element模型。在仿真過程中，需要考慮實際系統(tǒng)中的各種非連續(xù)效應，如阻抗匹配問題，源端終端反射，線間耦合等。

4.3 同步開關噪聲（SSN）：

GPM模型可以很好地支持對同步開關噪聲（SSN）進行分析，從而確定芯片布局時所加入的去耦電容是否足夠，最終的分析結果可以用來指導芯片的布局，通過增加去耦電容的數(shù)量，減少IO和邏輯的密度等方法來滿足芯片電源噪聲的要求，同時可以聯(lián)合PCB負載仿真得到板級去耦策略。

圖6 VDD電壓波形

圖6是用GPM模型仿真得到的芯片VDD的波形。波形中50ns到60ns之間的一個電壓低谷代表了IO同時開始翻轉(zhuǎn)的時刻，而疊加在整個波形中的紋波則體現(xiàn)了GPM窗口中除IO以外的其余邏輯電路翻轉(zhuǎn)對VDD的影響。在設計中需要保證最低電壓不低于電路所需的最低電壓，一般需滿足15%的紋波限制，根據(jù)不同的電壓域和IO類型，也會有所不同。

4.4 時序分析：

這里重點介紹利用GPM模型分析DQ與DQS之間的時序關系。在時序分析中最重要的就是通過分析建立時間（setup time）和保持時間（hold time）的裕量（margin）來評估系統(tǒng)的信號質(zhì)量和穩(wěn)定性。通常以有效時序窗口（Timing Window）概念來計算，所謂有效時序窗口，是指數(shù)據(jù)信號從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩藭r，建立時間和保持時間的總和（如圖7），其取決于板級、封裝設計以及接口電路模式的選擇。

圖7 有效時序窗口--Timing Window

其中，JEDEC標準里規(guī)定了Vih（ac/dc）和Vil（ac/dc），如表2所示。

表2 Vih/Vil的ac和dc值

通過配置不同讀寫模式，驅(qū)動能力和片上端接電阻對有效時序窗口大小的分析，我們可以得到關于時序最優(yōu)的解決方案。表3是用GPM模型對這幾種情況下分析的結果：

表3 各種情況下Timing Window

從表3可以看出，在“寫”的情況下，驅(qū)動能力為“Half”，ODT為75ohm端接時，時序有效窗口最大，相應的建立時間和保持時間的裕量最大；在“讀”的情況下，同是“Full”強驅(qū)動，打開ODT和關閉ODT也會有不同的效果，前者會更好。

5. 結論

1）本文通過實例介紹了基于GPM的DDR2高速接口的設計和仿真，接口信號完整性與封裝結構、芯片布局、IO類型、板級走線、驅(qū)動負載緊密相關，我們可以通過系統(tǒng)應用的實際需求進行設計和仿真。

2）由于GPM的建模對設計文件的依賴性較少，所以在進行芯片布局的同時就可以開始進行模型的建立和分析，對芯片的布局設計提供了很好的指導，并成為芯片電源噪聲的簽收標準之一。

3）GPM可以導入客戶的PCB互聯(lián)模型，用于對IO的時序和信號完整性進行分析。模型中包含了電源網(wǎng)絡的信息，仿真得到的結果也包含了SSN的信息，更加接近實際的應用環(huán)境。可以用于能指導ASIC的設計團隊完成IO的時序收斂，客戶PCB的系統(tǒng)設計。

4）GPM模型中IO的模型采用IBM自行研發(fā)的IO buffer的SPICE模型，對各種高速接口（如DDR2）的建模與仿真，可以達到非常高的精度。同時，GPM 仿真可以在設計初期對芯片、封裝和板級設計提供指導，從而極大的減少整個系統(tǒng)設計和驗證的周期。

責任編輯：gt