efuseIP進(jìn)行spice建模的實(shí)現(xiàn)方案

1. efuse是什么?

回答efuse是什么之前，fuse是什么呢?fuse當(dāng)然是熔絲，熔絲有很多種，常見(jiàn)的保險(xiǎn)絲就是熔絲的一種。那什么是efuse呢?這個(gè)e的前綴表示電子的、可電子控制的。也就是說(shuō)，efuse是可以電控制的fuse。

芯片設(shè)計(jì)中有時(shí)候要使用熔絲修調(diào)，工藝廠可提供的熔絲一般有金屬熔絲和多晶熔絲，前者稱作metal fuse，后者稱作poly fuse。兩種fuse隨著過(guò)流的增加都會(huì)發(fā)生熔斷，熔斷前后的阻值差異巨大，比如熔斷前可能在10Ω以內(nèi)，熔斷后可能在MΩ量級(jí)。因此，fuse具有以下兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：

(1)通過(guò)選擇是否熔斷可以獲得前后不同的阻值狀態(tài);

(2)熔斷行為是不可逆的;

因?yàn)榫哂幸陨蟽蓚€(gè)特點(diǎn)，所以在IC設(shè)計(jì)中，fuse被廣泛應(yīng)用在參數(shù)修調(diào)方面，當(dāng)設(shè)計(jì)初值達(dá)不到要求或不理想時(shí)，可以通過(guò)對(duì)已經(jīng)集成在IC中的fuse進(jìn)行編程，從而改變配置，使性能參數(shù)達(dá)到目標(biāo)值。由于不可逆特性，經(jīng)過(guò)這種編程操作的IC的特性會(huì)固化下來(lái)，無(wú)法進(jìn)行二次編程。所以應(yīng)用在IC中的fuse也通常是為了出廠校正或者出廠修調(diào)。在一些數(shù)據(jù)需要加密的IC中，也會(huì)采用fuse來(lái)固化內(nèi)部數(shù)據(jù)，使之不可更改。

2. efuseIP是什么?

實(shí)際的IC設(shè)計(jì)中，可能只需要用到很少量的fuse，這時(shí)候一般也就需要幾個(gè)用幾個(gè)，LAYOUT時(shí)按照設(shè)計(jì)規(guī)則放置就好了。但在需要大量控制字的應(yīng)用中，直接使用很多單個(gè)的fuse就顯得不那么經(jīng)濟(jì)了。這一方面是因?yàn)榭煽啃?，另一方面也有面積、功耗等的考慮。這時(shí)候往往就需要用到efuseIP。

efuseIP是工藝廠提供的、具有全套資料且經(jīng)過(guò)測(cè)試可直接調(diào)用的硬件IP。efuseIP包含多個(gè)熔絲單元，比如256個(gè)或者512個(gè)等，此外IP內(nèi)部還會(huì)集成有讀寫控制等電路。既然集成有讀寫控制，efuseIP必須在一定的讀寫時(shí)序下工作。我們購(gòu)買了工藝廠家efuseIP后，工藝廠家會(huì)提供相應(yīng)的技術(shù)資料和.v文件等，.v文件其實(shí)就是用verilog編寫的程序文件，但只是對(duì)efuseIP的行為的描述，該文件本身是不可綜合的。

3. 為什么要進(jìn)行efuseIP的spice建模?

目前正在設(shè)計(jì)的一款ADC芯片剛好需要用到efuseIP，由于efuseIP的.v模型無(wú)法直接帶入spice或spectre仿真環(huán)境中，故只能通過(guò)混合仿真的方式進(jìn)行頂層驗(yàn)證。為了能夠用spectre或spice模擬仿真工具進(jìn)行驗(yàn)證，所以就產(chǎn)生了對(duì)efuseIP進(jìn)行spice建模的想法。

注意，這里說(shuō)的"spice建?！?，并不是100%用spice語(yǔ)法進(jìn)行建模，而是建一個(gè)可以帶入spice仿真環(huán)境的模型。

經(jīng)過(guò)迭代嘗試，最終還是建模成功了，并且經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，已建模型的行為和廠家.v模型的行為基本一致。下面將解釋具體的建模內(nèi)容。

4. efuseIP的基本情況

首先我們看下圖，該efuseIP包含一個(gè)8位的地址輸入A<7:0>、一個(gè) 讀使能RD，一個(gè)編程使能PGEN，一個(gè)地址使能AEN，以及8位并行輸出D<7:0>。

圖1：eFUSEIP的輸入輸出示意圖

接著再看下表，其展示了廠家IP中各fuse的排布情況?？梢钥吹?，第一列從fuse0~fuse31，第二列從fuse32~fuse63，然后依次排布下去。

圖2：熔絲的位置排布

以上介紹了efuseIP的基本情況，那實(shí)際中該efuseIP是怎樣工作的呢?

對(duì)于上圖所示的fuse陣列，為了精準(zhǔn)控制每一個(gè)fuse,顯然需要進(jìn)行行列控制。A<7:0>的高3位可產(chǎn)生8個(gè)列信號(hào)，低5位可產(chǎn)生32個(gè)行信號(hào)，這樣就可以對(duì)32*8的矩陣實(shí)現(xiàn)地址控制。需要編程時(shí)，令PGEN=1,RD=0，對(duì)指定地址位的熔絲進(jìn)行熔燒操作。當(dāng)需要讀取熔絲數(shù)據(jù)時(shí)，令PGEN=0,RD=1，數(shù)據(jù)以每次8bit的形式并行輸出，實(shí)際是一次讀出一行數(shù)據(jù)，全部讀出需要32次。

5. spice建模的具體實(shí)現(xiàn)

知道了efuseIP的行為，我們就可以著手進(jìn)行建模了?？聪聢D，最終的模型架構(gòu)主要包括以下模塊：Decode(譯碼電路，主要實(shí)現(xiàn)行列編碼)、efuse Array(熔絲單元陣列)、Read(讀取電路)

圖3：模型電路架構(gòu)圖

我們最終搭建出的spice模型如下圖所示，該模型電路全部利用verilogA和理想器件構(gòu)建而成。

圖4: 模型原理圖

5.1 Decode電路

下圖為譯碼電路的原理框圖。地址信號(hào)為A<7:0>,其高三位A<7:5>作為3-8譯碼器的輸入，產(chǎn)生8個(gè)列控制信號(hào)。低五位A<4:0>作為5-32譯碼器的輸入，產(chǎn)生32個(gè)行控制信號(hào)。3-8譯碼器和5-32譯碼器可以用基本的組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)，基本邏輯門可以調(diào)用理想的VerilogA模型。

圖5: 譯碼電路原理框圖

需要注意的是，RD與列控制信號(hào)COLx<7:0>或操作后輸出真正的列控制信號(hào)COL<7:0>。這樣一來(lái)，在數(shù)據(jù)讀取時(shí)，RD=1，所有列信號(hào)都為1，表示所有列有效，就可以一次8bit讀出有效行的所有數(shù)據(jù)。而熔絲編程時(shí)，RD=0，并不影響列控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一位fuse的編程操作。

5.2 fuse 單元電路

我們看下圖，其為第0行、第0列對(duì)應(yīng)的fuse單元電路。圖中用R1表示fuse。M1為編程開關(guān)，大尺寸，可以流過(guò)大電流。M2為讀取開關(guān)，提供讀取電流。

圖6: fuse單元電路

編程時(shí)：當(dāng)行列信號(hào)以及PGEN同時(shí)有效，M1導(dǎo)通，流過(guò)大電流，熔斷fuse。讀取時(shí)：當(dāng)行列信號(hào)和RD同時(shí)有效時(shí)，M2導(dǎo)通，提供一路讀取電流，讀取電流在fuse兩端形成壓降，輸出點(diǎn)經(jīng)過(guò)反相之后的值即為讀取結(jié)果。具體為：

(1)fuse熔斷前，R1很小，R下端電壓為高，D0_0=0;

(2)fuse熔斷后，R1很大，R1下端電壓為低，D0_0=1;

5.3 Read電路

下圖所示為第0列讀取電路原理圖，其實(shí)質(zhì)上是將第一列的所有fuse單元的結(jié)果進(jìn)行了求和。

圖7：Read電路原理圖

之所以可以用最簡(jiǎn)單的求和電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)榛谶@樣一個(gè)認(rèn)識(shí)：

因?yàn)樽x取的時(shí)候，是從第0~第31行依次來(lái)讀的，也就是說(shuō)開始讀第0行時(shí)，其他行都不讀取，所以其他行的數(shù)據(jù)為0，因此求和并不會(huì)影響當(dāng)前行數(shù)據(jù)的讀出。當(dāng)然，讀其他行的時(shí)候也是一樣的道理。

6. 寫在最后

說(shuō)說(shuō)這個(gè)模型的缺點(diǎn)吧。該模型不能實(shí)現(xiàn)編程然后讀取的一體動(dòng)作。為什么呢?因?yàn)閒use是用一個(gè)電阻代替的，而電阻是沒(méi)有記憶能力的，無(wú)論編不編程，阻值一旦給定就不能改變。那么這一點(diǎn)有沒(méi)有辦法改進(jìn)呢?我想是有辦法的。設(shè)想有一個(gè)記憶單元，只要不受到編程觸發(fā)，就一直保持為0，一旦受到編程觸發(fā)，就變?yōu)?，那就可以解決這個(gè)問(wèn)題。具有這種功能之一的，電平觸發(fā)型DFF是一個(gè)選擇。