mPower 简介

为任何规模的完整设计提供不折不扣的电源完整性

内容摘要

电源完整性分析用于评估电路，确定其在实现后能否提供符合设计／预期 的性能和可靠性。设计人员必须能够验证从 RTL／门级到芯片级集成，直到封装和电路板系统级的模拟和数字电源完整性。mPower 工具集是一种创新的自动化电源完整性验证解决方案，它将模拟和数字 EM、IR 压降及功耗分析整合为一个完整、可扩展的解决方案，实现面向所有技术和所有设计类型且高度可信的功耗分析。

背景

模拟信 在我们的生活中无处不在。人类的声音，我们周围大自然的嗡嗡声——我们生于一个模拟的世界中。从这个角度来讲，计算能力至上的数字时代对我们来说仍然相对较新，就算是对计算机先驱查尔斯·巴贝奇也不例外。

虽然我们对数字计算能力的需求似乎永无止境，但我们正在进入一个模拟与数字集成的时代，而正是这一集成让计算机、电话、GPS、媒体播放器和相机成为我们的 掌中之物。产品和系统的差异不仅体现在它们的处理能力上，还体现在与我们日常生活的融合度上。活动追踪器可以 告我们的心率、运动水平，甚至睡眠模式。糖尿病患者通过与手机应用程序交互的粘贴式贴片或植入物来跟踪血糖水平。农民使用传感器和卫星来监测作物和土壤状况并优化产量。这些活动都是通过模拟传感器与低功耗高速数字计算的结合实现的——这体现了市场正在寻求的跨领域协同作用，以及推动下一代设计支持工具需求的集成。

图 1 显示了未来五年内四种工艺技术下 CPU 核心和电源域数量的预期增长，其中最先进工艺技术的增长速度最快。形成这一趋势的原因是，设计团队为新型芯片增加的功能越来越多，而且必须增加更多的处理带宽和电源管理来支持这些功能，同时还要将芯片的功耗保持在给定的系统功耗范围内。最后一个经常被忽视的趋势是模

拟模块数量的增长，这是由将芯片中的处理能力与真实世界连接的需求所驱动的。在从 5 纳米到 28 纳米的技

术节点，模拟／混合信 模块的数量正以 10-15% 的年复合增长率增长。此外，这些模块正在变得越来越大、越来越复杂，因为它们需要连接系统中越来越强大的传感器。

集成电路 (IC) 行业在数字扩展方面集体投入了大量资金。随着边缘计算的爆炸式增长不断推动模拟和传感器组件以及功能集成呈现类似的指数级增长，集成电路(IC) 设计人员在到达汇合物理和电子 signoff 的阶段时， 发现他们根本没有所需的电子设计自动化 (EDA) 功耗分析工具和方法。抽象视图仅适用于数字流程，而模拟设计流程并不适合这类简洁的接口。芯片设计人员需要一种快速、有效和准确的集成方法，将他们的功耗分析扩展到完整的模拟系统级别，然后再扩展到合并的数字／ 模拟芯片，最后扩展到多芯片设计。

什么是电源完整性分析和验证？

电源完整性分析用于评估电路，确定其在实现后能否提供符合设计/预期的性能和可靠性。对于芯片级电源完整性 signoff，IC 设计公司必须运行全芯片电迁移 (EM) 和电压 (IR) 压降分析，以确保电源 络能够向器件提供按设计运行所需的电流，并确保导线不会因 EM 而过早失效。完整的电源完整性分析解决方案包括三个主要部分：

图 1. 数字和模拟电路的增长给现有的电源分析解决方案带来压力。

● 功耗：验证实现的芯片设计将提供不同工作模式下的预计总功耗。

● 性能：查找并消除受版图影响的性能问题，例如高速脱落、功能故障等。

● 可靠性：查找并消除可能影响性能和产品寿命的版图实现问题，例如 EM、自加热等。

电源完整性设计流程

当前片上系统 (SoC) 正在进入第三代，并日益成为复合片上系统。设计人员必须能够分析和验证从 RTL/门级到芯片级集成，直到封装和电路板系统级的模拟和数字电源完整性（图 2）。

目前有两个主要因素阻碍了全面的电源完整性分析—— 缺乏自动化模拟 EM/IR 分析，以及由同一 EDA 工具供应商提供的模拟／数字组合分析可扩展性。

大型模拟电路的 EM/IR 分析是设计人员面临的最大挑战和操作难题。现有工具往往难以使用，尤其对于大型模拟版图。不仅收集所有必要的输入既困难又耗时，现有工具还缺乏适合所有设计类型和规模的强大接口，进一步阻碍了该流程的运行。此外，EM/IR  验证通常需要在基本工艺设计套件 (PDK) 中进行额外设置。许多晶圆代工厂无法提供设计公司需要的所有内容，因此他们必须花费额外的时间和资源来创建自己的内容。

由于使用现有工具难以分析大型模拟版图，因此最大、最复杂的模拟系统经常在未进行完整、详细的 EM/IR 分析的情况下就被送入制造阶段。现有工具无法对大型 络、纯模块进行仿真，而且无法就提取的 表为设计人员提供必要的灵活性。这些限制意味着，传统的基于仿真的动态分析通常仅限于少于约 1-2 百万个晶体管的设计。超出此规模时，典型的方法是迫使模拟设计人员采用类似数字的层次化形式，而这种形式并不适合模拟设计和设计流程。

超级模块和芯片级分析通常以手动方式执行，使用简化方法（例如划分设计子集），使用精度较低的仿真器， 以及其他临时方法和逼近，这些都需要耗费大量的工程时间来弥补自动化工具支持的缺失（图 3）。静态分析或手动计算都不能为基于仿真的 signoff 提供完整的覆盖率或可信度。此外，现有工具往往针对典型的模拟版图生成大量误 ，需要更多的时间和资源进行调试。由于缺乏适合大规模模拟电路的详细自动化 EM/IR 分析，因而导致整个系统都面临风险。

虽然大型数字设计有可靠的解决方案，但现有的数字功耗分析选项往往与芯片的关联性较差，导致芯片交付也面临风险。此外，与模拟解决方案的集成几乎为零， 导致全芯片分析即便存在可能性，难度也极其艰巨。

图 2. 电源完整性设计流程。

图 3. 静态和手动分析无法提供当今应用所需的覆盖率或精度。

对公司至关重要的备受瞩目的设计面临庞大的工程成本和风险。如果无法进行全芯片自动化 EM/IR 分析，而现有的 EM/IR 工具也无能为力，则必须使用 SPICE 和手动计算进行手动分析。芯片投入制造，却没有可信的电源完整性分析。设计团队发现自己在不停地解决电源完整性问题。

当今集成 IC 设计的规模和复杂性不断增加，需要大规模集成式模拟和数字电源完整性解决方案，为全芯片设计在跨所有域的电源实现方面提供充分的可信度。

mPower 电源完整性解决方案

mPower 工具集是一种创新的自动化电源完整性验证解决方案，它将模拟和数字 EM、IR 压降及功耗分析整合为一个完整、可扩展的解决方案（图 4）。mPower 工具集为涵盖所有设计流程和所有规模的数字、模拟和 3D IC 芯片设计提供了高效、易于使用的电源完整性分析，以验证设计是否满足功耗相关的设计目标和性能。模拟和数字功耗分析可以很容易地集成到现有的设计流程中，同时还能扩展到任何规模的电路和芯片。mPower 可涵盖所有技术和所有设计类型，提供高度可信的功耗分析。

图 4. mPower 解决方案是唯一可以为涵盖所有设计流程和所有规模的数字、模拟和 3D IC 提供电源完整性分析的功耗分析解决方案。

设计团队可利用 mPower 软件执行从最小模块到最大全芯片版图的电源完整性分析，以验证设计是否满足与功耗相关的设计目标和性能：

● 验证所有模式下的功耗

● 识别和修复电压不足，无法驱动负载的路径

● 识别并修复与电流密度相关的可靠性问题

mPower 电源完整性验证解决方案为所有规模的完整设计提供不折不扣的电源完整性分析。

性能

mPower 解决方案采用全新设计，可扩展至异构 络， 以最佳周转时间和最低成本提供高精度的结果。所有mPower 引擎都已经过优化，可在异构 络上实现最大并行度。其他工具需要在主机提供大量内存，而 mPower 工具可将其内存需求分配到所有远程设备，最大限度减少了 格的总体负担。

易于部署

mPower 解决方案易于采用，很大程度上是因为它使用了行业标准格式和简单易懂的 TCL 命令语言。在整个流程中使用行业标准输入有助于最大限度降低成本并提高重复使用率，同时 TCL 命令语言上手很快。

使用时，mPower 解决方案会在运行期间自动 告结果， 以便设计人员能够在运行过程中获取关键信息。然后可以在所有主流设计工具中高亮显示结果。

mPower GUI

mPower 解决方案包含一个快速、稳定且易于使用的GUI，适合调用和结果调试（图 5）。设计人员可以使用mPower GUI 来确定根本原因，然后通过 Calibre RVE 界面将结果高亮显示到设计工具中进行修复。功能包括：

● 快速、大容量的全芯片浏览

● 单页或多页浏览

● 按 络或实例名称筛选版图

● 浏览 ASCII 告文件并在 告浏览器中高亮显示导线／ 器件

● 追踪最差 IR 压降管脚到源焊盘

● 绘制电流／电压波形

图 5. mPower GUI 使工程师能够快速、轻松地运行 mPower 电源完整性分析， 然后调试结果。

mPower Analog

从最小的带隙参考到大型模拟系统和传感器，mPower Analog 软件可以对任何尺寸的晶体管设计执行 EM/IR 分析。mPower Analog 工具为以前只能在数字域中使用的晶体管级设计带来了可扩展性，能够支持其他工具无法处理的大型电路静态和动态分析。

mPower Analog 可扩展性的关键在于其创新的大容量(HC) 动态分析功能，这是一种基于仿真的 EM/IR 分析， 可在最大、最复杂的模块和芯片上运行，以实现对 5G 传感器和其他大型、复杂 IC 系统进行快速、准确的电源完整性分析。

大容量动态分析

mPower HC 动态分析可针对各种规模的大型模拟电路基于仿真的 signoff 提供完整的覆盖率和可信度（图 6）。HC 动态分析可提供必要的详细分析，让设计人员能够放心地进行设计制造 signoff，同时还能通过模块级 SPICE 仿真提供全芯片和阵列分析，实现更快的总体周转速度。通过使用布线前 SPICE 仿真，它还能加快设计周期早期的迭代速度。

mPower Analog HC 动态分析提供了顶层 EM/IR 分析，可轻松融入现有的设计流程，使设计人员能够分析凭借现有工具根本无法分析的模块和芯片。

图 6. HC 动态分析为最大、最复杂的模块和芯片提供基于仿真的 EM/IR 分析。

快速灵活

mPower Analog 通过模块级 SPICE 仿真提供全芯片和阵列分析，以加快总体周转速度。它通过使用布线前 SPICE 仿真来加速迭代。同样重要的是，它在仿真和提取方面拥有无与伦比的灵活性：

● 使用任何提取器驱动布线后 SPICE 仿真

● 使用任何可编写快速信 数据库 (FSDB) 的 SPICE 仿真器

● 使用 Calibre? 寄生参数提取工具和西门子的 Analog FastSPICE 平台时还可获得其他好处，例如自动插入探针和简化的设置

mPower Digital

mPower Digital 解决方案提供具有大规模可扩展性的数字电源完整性分析，使设计团队能够快速、准确地分析最大规模的设计。

精确

mPower Digital 工具使用标准 Liberty 模型提供精确的结果。在先进工艺节点上，可以使用标准 Liberty 模型的行业标准 CCSP 扩展来提高精度。

对于存储器，mPower Digital 工具支持多级建模，以便在性能和精度之间提供丰富的权衡。mPower Digital 软件支持多种模型，从简单的 LEF + Liberty 到 GDSII 视图，再到完全嵌入式晶体管级模型。

可扩展到任何规模

大型芯片需要快速周转才能实现可靠的流片。mPower Digital 工具可提供快速的全芯片 signoff EM/IR 运行，以实现多次迭代并最大限度减少过度设计。

高覆盖率无矢量分析

mPower Digital 软件采用无矢量算法，可根据开关功率、负载和其他参数选择实例子集。尽管不是在一次运行中对所有实例进行采样，但高覆盖率算法可确保所有实例在多次迭代中都能得到采样，从而使 mPower Digital 工具能够发现新的违规（图 7）。

图 7. 多次迭代可确保完整的覆盖率，以进行快速、准确的分析。

功耗门控设计的浪涌分析

mPower Digital 软件可针对功耗门控设计峰值电流的开启和开启时间进行仿真，并自动计算所需的仿真时间， 从而消除猜测并最大限度减少过度仿真（图 8）。