Static timing analysis, delay calculation and timing sign-off algorithms for small scale (sub-40nm) digital electronic circuits

Abstract

Modern ASIC design flows are heavily dependent on the Quality of Results (QoR) of Static Timing Analysis (STA), as it has been the timing validation golden standard for decades. The ever pronounced parasitic phenomena, due to the excessive shrinking of process geometries, in conjunction with the ever increasing circuit complexity and scale, have been challenging the accuracy and capacity of the standard STA algorithms. One of the highest influence algorithms for STA QoR is Delay Calculation which also affects performance. This dissertation presents an industrial timing model compatible Delay Calculation methodology that achieves SPICE accurate results while being orders of magnitude faster than SPICE and thus is suitable for use with STA. Furthermore, as circuit reliability has become a major concern for modern mission critical application systems, this thesis presents two novel methodologies of radiation induced Single Event Transients analysis and estimation of circuit sensitivity. The presented methodologies are based on STA principles. One of them is based on industrial EDA tools and analyses the Propagation Induced Pulse Broadening (PIPB) effect. Contrary to that, the other is implemented within Circuits and Systems Laboratory (CASlab) in-house EDA tool and employs STA algorithms and the aforementioned Delay Calculation method to provide a global picture of circuit sensitivity. This can be considered the first step towards creating a generalized Radiation Hardened (RADHARD) ASIC design flow, as its capacity and performance allows its application within closed loop optimization flows. Finally, two of the resultant publications regarding SET analysis were honoured with the Best Paper Award in international IEEE conferences.

Οι σύγχρονες ροές σχεδιασμού ASIC εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την Ποιότητα των Αποτελεσμάτων (Quality of Results - QoR) της Στατικής Χρονικής Ανάλυσης (Static Timing Analysis - STA), καθώς αποτελεί την πλέον εδραιωμένη μέθοδο επαλήθευσης και επικύρωσης χρονισμού για δεκαετίες. Τα έντονα παρασιτικά φαινόμενα, λόγω της ολοένα και περισσότερης συρρίκνωσης των γεωμετριών των νανοηλεκτρονικών συσκευών, σε συνδυασμό με την αυξανόμενη πολυπλοκότητα των κυκλωμάτων, τόσο σε αριθμό συσκευών όσο και διασυνδέσεων, έχουν αποτελέσει πρόκληση για την επίτευξη της μέγιστης δυνατής ακρίβειας και ταχύτητας των τυπικών αλγορίθμων STA. ΄Ενας από τους αλγορίθμους με την υψηλότερη επιρροή για την QoR της Στατικής Χρονικής Ανάλυσης είναι ο υπολογισμός καθυστερήσεων, ο οποίος επηρεάζει επίσης την απόδοση. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια μεθοδολογία υπολογισμού καθυστέρησης, η οποία είναι συμβατή με βιομηχανικά μοντέλα χρονισμού και επιτυγχάνει αποτελέσματα με μέγιστη ακρίβεια σε σύγκριση με την ηλεκτρική εξομοίωση SPICE, ενώ είναι τάξεις μεγέθους ταχύτερη και έτσι είναι κατάλληλη για τους σκοπούς της Στατικής Χρονικής Ανάλυσης. Επιπλέον, καθώς η αξιοπιστία των κυκλωμάτων έχει γίνει μια καίρια ανησυχία για τα σύγχρονα συστήματα mission-critical εφαρμογών, αυτή η διατριβή παρουσιάζει δύο νέες μεθοδολογίες ανάλυσης και εκτίμησης της ευαισθησίας των κυκλωμάτων όταν αυτά λειτουργούν σε περιβάλλοντα με ιοντίζουσα ακτινοβολία. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες βασίζονται σε αρχές STA. Η μία βασίζεται σε βιομηχανικά εργαλεία Αυτοματοποιημένης Ηλεκτρονικής Σχεδίασης (Electronic Design Automation - EDA) και αναλύει το φαινόμενο Propagation Induced Pulse Broadening (PIPB). Αντίθετα, η δεύτερη έχει υλοποιηθεί εντός του εργαλείου EDA του εργαστηρίου Κυκλωμάτων και Συστημάτων (CASlab) και χρησιμοποιεί αλγορίθμους STA και την προαναφερθείσα μέθοδο υπολογισμού καθυστερήσεων για να παρέχει μια ολοκληρωμένη εικόνα της ευαισθησίας του κυκλώματος. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί το πρώτο βήμα προς τη δημιουργία μιας γενικευμένης ροής σχεδιασμού ASIC τα οποία είναι ανθεκτικά στην ακτινοβολία, καθώς η αποτελεσματικότητα και η απόδοσή της επιτρέπουν την εφαρμογή της σε κλειστές ροές βελτιστοποίησης. Τέλος, δύο από τις δημοσιεύσεις που προέκυψαν σχετικά με την ανάλυση ευαισθησίας τιμήθηκαν με το Βραβείο Καλύτερου ΄Αρθρου σε διεθνή συνέδρια του IEEE.