基于多层次等效电路模型的集成电路电源网络瞬态分析求解方法技术

基于多层次等效电路模型的集成电路电源网络瞬态分析求解的方法，含有基于直流分析的对电源线／电线网络进行瞬态分析的方法，其特点在于：它是一种针对集成电路的电源线／地线网络具有规整的网状（Ｍｅｓｈ）结构的特点，按照多网格方法的基本思想，把电路网络中的中间节点ＲＬＣ电路的参数Ｒ、Ｌ、Ｃ和电流源近似等效到电路网络的角节点上，在当前网络层次上形成一个仅有角节点组成的粗电路网络层，逐层重复进行上述操作，形成最终的粗电路网络后，列出线性方程组，利用现有的方法快速求解出此时刻等效电路的所有节点的电压值，再据此逐层恢复求出所有层中被合并节点此时刻的电压值的快速方法；它依次含有以下步骤：　　　　（１）计算机读入电路的信息文件，文件中包括节点之间的关联结构；节点之间的电阻值、电感值、电感初始电压和电流值、电容值、电容初始电压和电流值以及各个节点连接的供电模块单元的随时间变化利用ＰＷＬ表示的吸纳电流波形，据此在计算机内建立电路的拓扑结构并记录其电学参数；　　　　（２）建立根据电路的工作周期和需要模拟的周期数，计算机分别读入相应的时间步长ｈ和总模拟步数Ｍ；选取适当的简化层次数Ｌ以及模拟的精度要求ε；　　　　（３）离散化原始电路中的电容、电感，得到由电阻、电流源组成的电路：　　　　（３．１）离散化电路中的电容Ｃ和电阻Ｌ，　　　　　给定模拟的时间步长，利用梯形差分公式，Ｋ＋１时刻电容离散化为一个等效电阻ｈ／２Ｃ和一个等效电流源２Ｃ／ｈＶ↓［ｃ，ｋ］＋Ｉ↓［ｃ，ｋ］并联的模型，　　　　Ｉ↓［ｃ，ｋ＋１］＝２Ｃ／ｈＶ↓［ｃ，ｋ＋１］－（２Ｃ／ｈＶ↓［ｃ，ｋ］＋Ｉ↓［ｃ，ｋ］）　　－（１），　　　　Ｖ↓［ｃ，ｋ］，Ｉ↓［ｃ，ｋ］，Ｖ↓［ｃ，ｋ＋１］，Ｉ↓［ｃ，ｋ＋１］分别代表Ｋ和Ｋ＋１时刻电容上的电压和电流，其方向保持一致；给定模拟的时间步长，利用梯形差分公式，Ｋ＋１时刻电感离散化为一个等效电阻２Ｌ／ｈ和一个等效电流源ｈ／２ＬＶ↓［Ｌ，ｋ］＋Ｉ↓［Ｌ，ｋ］并联的模型，　　　　Ｉ↓［Ｌ，ｋ＋１］＝ｈ／２ＬＶ↓［Ｌ，ｋ＋１］＋（ｈ／２ＬＶ↓［Ｌ，ｋ］＋Ｉ↓［Ｌ，ｋ］）　　－（２），　　　　Ｖ↓［Ｌ，ｋ］，Ｉ↓［Ｌ，ｋ］，Ｖ↓［Ｌ，ｋ＋１］，Ｉ↓［Ｌ，ｋ＋１］分别代表ｋ和ｋ＋１时刻电感上的电压和电流，其方向保持一致；　　　　（３．２）根据（３．１）中的离散化过程，建立原始电路的离散化模型；　　　　（４）利用基本电路定律简化离散化的电路网络模型　　　　（４．１）利用诺顿（Ｎｏｒｔｏｎ）等效定律合并电流源以简化电路，对于电路网络中的每一条边，有电阻Ｒ和电感Ｌ，把电阻Ｒ和Ｋ＋１时刻离散化电感组成的串联电路简化为由等效电阻Ｒ↓［ｉ］↑［＊］和等效电流源ｅｌ↓［ｉ，ｋ＋１］组成的并联电路；　　　　Ｒ↓［ｉ］↑［＊］＝２Ｌ↓［ｉ］／ｈ＋Ｒ↓［ｉ］　　－（３），　　　　＊＊＊　　－（４），　　　　Ｒ↓［ｉ］、Ｌ↓［ｉ］分别为节点ｉ和节点ｉ＋１之间的电阻和电感值；　　　　Ｖ↓［Ｌ，ｉ，ｋ］，Ｅ↓［ｉ，ｋ］分别为Ｋ时刻Ｌ↓［ｉ］上的电流和电压值，方向由ｉ＋１节点到ｉ节点；　　　　ｅｌ↓［ｉ，ｋ＋１］是等效简化后的与Ｒ↓［ｉ］↑［＊］并联的等效电流源；　　　　（４．２）合并节点ｉ上的对地电流源，　　　　在Ｋ＋１时刻对于节点ｉ，把模块单元的吸纳电流ｅ↓［ｉ，ｋ＋１］和离散化电容Ｃ↓［ｉ］得到的效电路合并成由电流源ｅｃ↓［ｉ，ｋ＋１］和电阻ｒ↓［ｉ］并联组成的电路：　　　　ｅｃ↓［ｉ，ｋ＋１］＝ｅ↓［ｉ，ｋ＋１］－［２Ｃ↓［ｉ］／ｈＶ↓［ｉ，ｋ］＋Ｉ↓［ｉ，ｋ］］　　－（５），　　　　ｒ↓［ｉ］＝ｈ／２Ｃ↓［ｉ］　　－（６）　　　　Ｃ↓［ｉ］分别为节点ｉ对地的关联电容值；　　　　Ｖ↓［ｉ，ｋ］，Ｉ↓［ｉ，ｋ］分别为Ｋ时刻节点ｉ上的电压值和通过电容的电流值，方向对地；　　　　ｅｃ↓［ｉ，ｋ＋１］表示由ｉ节点Ｋ＋１时刻自身吸纳电流和由相应电容离散化得到的等效电流合并后的总电流，按照公式（５）计算得到，电流方向对地；　　　　至此，原始的电路网络简化为如图８所示的网络模型，把这个网络标记为Ｎ↓［０］；　　　（５）对于每一层电路网络，压缩合并所有的中间节点（Ｍｉｄｄｌｅ　Ｎｏｄｅ），建立由角节点（Ｃｏｒｎｅｒ　Ｎｏｄｅ）组成的等效电路；也就是在原来层的电路网络基础上，形成一个较为粗略网络，达到压缩网络的效果。根据给定的简化层次数，重复上述操作，形成最终层次的近似等效电路；网络的压缩合并过程分为两步：　　　　（５．１）水平逐线等效　　　　水平逐线等效的过程就是在当前层上，将电路网格中的垂直电源线隔行抽取，对于与被抽去的电源线相关的电路参数，按照类似于多网格的思想，作如下的近似等效处理：将被抽取线上的等效电导和电流源按相应比例合并到上下两个线段上；对于线上的连接的所有节点，利用Ｙ型电路向π型电路的等效变换，将它们所关联的吸纳电流源和电导等效变换到上下两个节点；　　　　（ａ）边的近似等效　　　　在当前层中，针对一个“田”字型电路模型，将中上（下）线段上的电导和浮动电流源根据中左、中右水两段电源线上的电导之间的比例分别分配到左上（下）、右上（下）的电源线上，如图１０所示：　　　　＊＊＊　　　　Ｒ↓［ａ］，Ｒ↓［ｂ］分别表示当前层中左，中右电源线的电阻大小，Ｉ↓［ｏ］，Ｇ↓［ｏ］分别表示中上（下）的电导和浮动电流源；　　　　Ｉ↓［Ｌ］，Ｇ↓［Ｌ］，Ｉ↓［Ｌ］↑［＊］，Ｇ↓［Ｌ］↑［＊］表示当前层左上（下）线段上的浮动电流源和电导的原始大小以及压缩等效后的大小；　　　　Ｉ↓［Ｒ］，Ｉ↓［Ｒ］↑［＊］，Ｇ↓［Ｒ］，Ｇ↓［Ｒ］↑［＊］表示当前层右上（下）线段上的浮动电流源和电导的原始大小以及压缩等效后的大小；　　　　（ｂ）节点的等效　　　　对于被抽取垂直线上的连接的所有节点，利用Ｙ型电路向π型电路的等效变换，将它们所关联的吸纳电流源和电导等效变换到上下两个节点；　　　　　●Ｙ型电路向π型电路的等效变换：　　　　把由三个依次相邻的节点与地（ＧＮＤ）组成的Ｙ型电路等效变换为两个端点与地组成的π型电路；　　　　一般的，设Ｙ电路的三个节点为ｘ、ｙ、ｚ（接地），中间节点为ｏ，Ｙ型电路的结构为：　　　　端点ｘ、ｏ间：由电阻Ｒ↓［ｘ］和电流源Ｉ↓［ｘ］（方向为ｏ到ｘ）并联组成，　　　　端点ｙ、ｏ间：由电阻Ｒ↓［ｙ］和电流源Ｉ↓［ｙ］（方向为ｏ到ｙ）并联组成，　　　　端点ｚ、ｏ间：由电阻Ｒ↓［ｚ］和电流源Ｉ↓［ｚ］（方向为ｏ到ｚ）并联组成，　　　　等效后节点ｘ、ｙ和ｚ组成的π型电路的结构为：　　　　节点ｘ、ｙ之间由等效电阻Ｒ↓［ｘｙ］和等效电流源Ｉ↓［ｘｙ］并联组成，其中：　　　　＊＊＊　　－（７．１）　　　　节点ｘ、ｚ之间由等效电阻Ｒ↓［ｘｚ］和等效电流源Ｉ↓［ｘｚ］并联组成，其中：　　　　＊＊＊　　－（７．２）　　　　节点ｙ、ｚ之间由等效电阻Ｒ↓［ｙｚ］和等效电流源Ｉ↓［ｙｚ］并联组成，其中：　　　　＊＊＊　　－（７．３）　　　　因此，流入节点ｘ的电流大小为：　　　　　＊＊＊　　－（８）　　　　流入节点ｙ的电流大小为：　　　　＊＊＊　　－（９）　　　　●并联电路的等效变换　　　　对两个节点之间的并联电路作合并简化变换：　　　　ｒ↓［ｔｏｔａｌ］＝１／（１／ｒ↓［ｌｅｆｔ］＋１／ｒ↓［ｒｉｇｈｔ］）　　－（１０）　　　　ｉ↓［ｔｏｔａｌ］＝ｉ↓［ｌｅｆｔ］＋ｉ↓［ｒｉｇｈｔ］　　－（１１）　　　　ｒ↓［ｌｅｆｔ］，ｒ↓［ｒｉｇｈｔ］，ｉ↓［ｌｅｆｔ］，ｉ↓［ｒｉｇｈｔ］，分别表示两个电阻和电流源的大小；　　　　ｒ↓［ｔｏｔａｌ］，ｉ↓［ｔｏｔａｌ］分别表示合并后的总电阻和总电流源的大小；　　　　在图１０中的中间节点Ｘ经过上述等效后被压缩；　　　　（５．３）垂直逐线等效　　　　完成上述等效压缩的操作后，电源网络变化成为了一个半简化的模型，在此基础上，水平抽取电源网线；针对一个“田”字型电路模型，将中左（右）线段上的电导和电流源根据左（右）上、左（右）下两段电源线上的电导之间的比例分别分配到上左（右）、下左（右）的电源线上；对于水平线上连接的三个节点，分别利用三次Ｙ型电路向π型电路的等效变换，将它们所关联的吸纳电流源和电导等效变换到对应的上下两个节点上面。此过程和（５．２）的水平逐线等效基本类似；　　　　（５．４）重复上述两个步骤，对电路进行压缩，形成最终的简化等效电路经过上述两个近似等效压缩后，原始的电路网络变换成了一个较粗电路网络，其拓扑结构保持不变；根据给定的简化层次数，继续逐层压缩简化，每一次都在上一层的基础上面形成一个更粗略的电路网络，从而产生一个电路网罗序列Ｎ↓［１］，Ｎ↓［２］，····Ｎ↓［Ｌ］，Ｎ↓［Ｌ］是最终的近似等效电路模型，这个电路模型比原始的电路模型相比，节点和边的数量都大幅减小；　　　　（６）列出简化电路的系数矩阵　　　　据基尔霍夫（Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ）定律建立由步骤（５．４）得到的等效电路粗网Ｎ↓［Ｌ］的节点电压方程组Ｇ↓［Ｌ］·Ｖ↓［Ｌ］＝Ｉ↓［Ｌ］，从而得到只与电路结构和电阻有关的稀疏系数矩阵Ｇ↓［Ｌ］；　　　　（７）始化模拟，令步骤计数器Ｋ＝０，由每一个节点的ＰＷＬ波形图得到各个节点的初始电压值（此值也等于各个节点关联电容的初始电压值），由此构建＊↓［０］；　　　　（８）若Ｋ＞Ｍ，则结束模拟；否则执行以下步骤：　　　　（９）节点的ＰＷＬ波形提取Ｋ＋１步骤时刻各个节点供电模块单元的吸纳电流，通过步骤５的内插操作，将各个吸纳电流等效到最终的粗网络ＮＬ的节点上去，得到粗网络Ｎ↓［Ｌ］上面节点的电流向量Ｉ↓［Ｌ］，带入方程Ｇ↓［Ｌ］·Ｖ↓［Ｌ］＝Ｉ↓［Ｌ］　　　　此步骤根据每一个节点的供电模块单元吸纳电流的ＰＷＬ波形，提取此时（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

基于多层次电路模型的集成电路电源网络瞬态分析求解方法属于VLSI物理设计领域，尤其涉及布局布线领域中RLC电源线/地线网络瞬态分析求解技术范畴。
技术介绍
在芯片物理设计中，电源线/地线的布线属于特殊线网的布线部分，设计不当的电源线/地线网络会引起一系列严重的问题，如半导体器件得不到足够的供电电压所引起的逻辑错误、供电网络中某一支路的电流密度过大所引起的供电网络的损坏等，因此在布线阶段，电源线/地线的布线具有最高优先级。随着集成电路的制造工艺由目前的深亚微米(DSM)进入到超深亚微米(VDSM)，集成电路的设计规模也由超大规模(VLSI)，甚大规模(ULSI)向G大规模(GSI)发展。由于芯片功耗急剧增加及芯片供电电压不断降低，使得供电网络必须提供越来越大的工作电流。同时随着芯片工作频率的急剧提高，使得寄生电容、电感对供电网络的影响日益增大，电源线/地线网络分析已从较简单的直流分析转换为复杂的瞬态分析。所有这一切使得芯片的安全供电问题成为芯片设计制造过程中最主要的棘手问题之一，也是制约芯片性能和规模继续提高的主要瓶颈之一，因此受到学术和工业界的空前重视。由于生产工艺的不断提高和集本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多层次等效电路模型的集成电路电源网络瞬态分析求解的方法，含有基于直流分析的对电源线/电线网络进行瞬态分析的方法，其特点在于它是一种针对集成电路的电源线/地线网络具有规整的网状(Mesh)结构的特点，按照多网格方法的基本思想，把电路网络中的中间节点RLC电路的参数R、L、C和电流源近似等效到电路网络的角节点上，在当前网络层次上形成一个仅有角节点组成的粗电路网络层，逐层重复进行上述操作，形成最终的粗电路网络后，列出线性方程组，利用现有的方法快速求解出此时刻等效电路的所有节点的电压值，再据此逐层恢复求出所有层中被合并节点此时刻的电压值的快速方法；它依次含有以下步骤(1)计算机读入电路的信息文件，文件中包括节点之间的关联结构；节点之间的电阻值、电感值、电感初始电压和电流值、电容值、电容初始电压和电流值以及各个节点连接的供电模块单元的随时间变化利用PWL表示的吸纳电流波形，据此在计算机内建立电路的拓扑结构并记录其电学参数；(2)建立根据电路的工作周期和需要模拟的周期数，计算机分别读入相应的时间步长h和总模拟步数M；选取适当的简化层次数L以及模拟的精度要求ε；(3)离散化原始电路中的电容、电感，得到由电阻、电流源组成的电路(3.1)离散化电路中的电容C和电阻L，给定模拟的时间步长，利用梯形差分公式，K+1时刻电容离散化为一个等效电阻 和一个等效电流源 并联的模型，Ic,k+1=2ChVc,k+1-(2ChVc,k+Ic,k)---(1),]]>Vc，k，Ic，k，Vc，k+1，Ic，k+1分别代表K和K+1时刻电容上的电压和电流，其方向保持一致；给定模拟的时间步长，利用梯形差分公式，K+1时刻电感离散化为一个等效电阻 和一个等效电流源 并联的模型，IL,k+1=h2LVL,k+1+(h2LVL,k+IL,k)---(2),]]>VL，k，IL，k，VL，k+1，IL，k+1分别代表k和k+1时刻电感上的电压和电流，其方向保持一致；(3.2)根据(3.1)中的离散化过程，建立原始电路的离散化模型；(4)利用基本电路定律简化离散化的电路网络模型(4.1)利用诺顿(Norton)等效定律合并电流源以简化电路，对于电路网络中的每一条边，有电阻R和电感L，把电阻R和K+1时刻离散化电感组成的串联电路简化为由等效电阻Ri*和等效电流源eli，k+1组成的并联电路Ri*=2Li/h+Ri---(3),]]>eli,k+1=(h2LiVL,i,k+Ei,k)·2Li/h2Li/h+Ri---(4),]]>Ri、Li分别为节点i和节点i+1之间的电阻和电感值；VL，i，k，Ei，k分别为K时刻Li上的电流和电压值，方向由i+1节点到i节点；eli，k+1是等效简化后的与Ri*并联的等效电流源；(4.2)合并节点i上的对地电流源，在K+1时刻对于节点i，把模块单元的吸纳电流ei，k+1和离散化电容Ci得到的效电路合并成由电流源eci，k+1和电阻ri并联组成的电路eci,k+1=ei,k+1-(2CihVi,k+Ii,k)---(5),]]>ri=h2Ci---(6)]]>Ci分别为节点i对地的关联电容值；Vi，k，Ii，k分别为K时刻节点i上的电压值和通过电容的电流值，方向对地；eci，k+1表示由i节点K+1时刻自身吸纳电流和由相应电容离散化得到的等效电流合并后的总电流，按照公式(5)计算得到，电流方向对地；至此，原始的电路网络简化为如图8所示的网络模型，把这个网络标记为N0；(5)对于每一层电路网络，压缩合并所有的中间节点(Middle Node)，建立由角节点(Corner Node)组成的等效电路；也就是在原来层的电路网络基础上，形成一个较为粗略网络，达到压缩网络的效果。根据给定的简化层次数，重复上述操作，形成最终层次的近似等效电路；网络的压缩合并过程分为两步(5.1)水平逐线等效水平逐线等效的过程就是在当前层上，将电路网格中的垂直电源线隔行抽取，对于与被抽去的电源线相关的电路参数，按照类似于多网格的思想，作如下的近似等效处理将被抽取线上的等效电导和电流源按相应比例合并到上下两个线段上；对于线上的连接的所有节点，利用Y型电路向π型电路的等效变换，将它们所关联的吸纳电流源和电导等效变换到上下两个节点；(a)边的近似等效在当前层中，针对一个“田”字型电路模型，将中上(下)线段上的电导和浮动电流源根据中左、中右水两段电源线上的电导之间的比例分别分配到左上(下)、右上(下)的电源线上，如图10所示IL*=RbRa+RbIO+IL---(7)]]>IR*=RaRa+RbIO+IR---(8)]]>GL*=RbRa+RbGO+GL---(9)]]>GR*=RaRa+RbGO+GR---(10)]]>Ra，Rb分别表示当前层中左，中右电源线的电阻大小，I0，G0分别表示中上(下)的电导和浮动电流源；IL，GL，IL*，GL*表示当前层左上(下)线段上的浮动电流源和电导的原始大小以及压缩等效后的大小；IR，IR*，GR，GR*表示当前层右上(下)线段上的浮动电流源和电导的原始大小以及压缩等效后的大小；(b)节点的等效对于被抽取垂直线上的连接的所有节点，利用Y型电路向π型电路的等效变换，将它们所关联的吸纳电流源和电导等效变换到上下两个节点；●Y型电路向π型电路的等效变换把由三个依次相邻的节点与地(GND)组成的Y型电路等效变换为两个端点与地组成的π型电路；一般的，设Y电路的三个节点为x、y、z(接地)，中间节点为o，Y型电路的结构为端点x、o间由电阻Rx和电流源Ix(方向为o到x)并联组成，端点y、o间由电阻Ry和电流源Iy(方向为o到y)并联组成，端点z、o间由电阻Rz和电流源Iz(方向为o到z)并联组成，等效后节点x、y和z组成的π型电路的结构为节点x、y之间由等效电阻Rxy和等效电流源Ixy并联组成，其中Rxy=RxRy+RxRz+RyRzRz,Ixy=RxIx-RyIyRxy---(7.1)]]>...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪先龙，蔡懿慈，潘著，骆祖莹，傅静静，谭向东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：