Logi-termikus szimuláció - EETtimar/data/celltherm.pdf · Bevezetés Mit jelent a logi-termikus? Logikai szimuláció Tisztán digitális Nem foglalkozik a ho-˝ mérséklettel

Budapesti Muszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Logi-termikus szimuláció

Dr. Timár András

BME, Elektronikus Eszközök Tanszéke

2014. április 22.

Dr. Timár András (BME, EET) Logi-termikus szimuláció 2014. április 22. 1 / 70

Bevezetés

Bevezetés


Bevezetés

Mit jelent a logi-termikus?

Logikai szimuláció

Tisztán digitálisNem foglalkozik a ho-mérséklettelPl. QuestaSim

Termikus szimuláció

Tisztán termikus szimu-lációTeljesítmény, anyagjel-lemzok, topológia

Logi-termikus szimuláció


Bevezetés

Miért van szükség logi-termikus szimulációra?

A melegedés elronthatja a muködéstAz elektro-termikus szimulációk túl hosszúakDigitális cellás áramköröknél jó megoldás a logi-termikus szimulá-ció


Bevezetés

Logikai szimulátorok

QuestaSim, ModelSim (Mentor Graphics R©)NCSim (Cadence R©)VCS (Synopsys R©)ISE Webpack (Xilinx R©)Ingyenes szimulátorok

IcarusActiveHDL (csak Windows)


Bevezetés

Termikus szimulátorok

AnSYSCOMSOL MultiphysicsFloThermHeatWaveHotSpotLayTherm, SISSI, SunRed

Tanszéki fejlesztésElony: tokozás és NYHL hatásainak figyelembe vétele mérési ered-mények alapján


Bevezetés

Mire használható a logi-termikus szimulátor?

Már a tervezés fázisban meghatározható, hogy hol lesznek a me-leg pontok az áramkörön (hot-spot)Place & Route befolyásolható a homérsékleti térkép alapjánHomérsékletfüggo idozítések szimulálhatóak, vizsgálni lehet amelegedés hatásait szimuláció közbenIntel P3 floating-point unit


Bevezetés

A saját melegedés hatása

NANDkapu

tnand

inverter

tinv

1.

inverter

tinv

2.

inverter

tinv

5.

inverter

tinv

10.

fki

fki =1

2 · (tnand + N · ti)

Egy nMOS tranzisztortranszfer karakterisztikájakülönbözo homérsékleten.

−20 ◦C85 ◦C

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5

I d[m

A]

Ugs [V]

tnand és ti homérséklet-függo


Bevezetés Logi-termikus folyamat

A logi-termikus szimuláció folyamata

Termikusszimulátor

Logikaiszimulátor

CellTherm

Homérsékleteloszlás

Fogyasztásiadatbázis

Topológia(layout)

xbuf2

xbuf4

xbuf3

xbuf1

xnand

xinv1

xinv2

xinv3

xinv10

xinv9

xinv5

xinv4

xinv6

xinv7

xinv8

Hullámformák,idozítések

Áramkörleírás (.v)

Tesztkörnyezet(.v)

Kapcsolásiaktivitás Késleltetések


Bevezetés Logikai szimuláció

Sztenderd cellás áramkörök

Több ezer cella egy áramkörönA cellák egymáshoz a föld és táp síneken csatlakoznakRTL szintu építoelemek (logikai kapuk, multiplexer, tároló, stb.)A cella szintu felbontás elegendo→ gyorsabb szimuláció






Tokozás

Tipikus mikroelektronikai tokozásKvázi-1D hoterjedés, mert oldalfalak felé nem tud menniFlip-chip miatt a ho a hutoborda felé távozik (a Si fejjel lefelé van)



Disszipáló alakzatok

Lehetnek a cellák, vagy teljes muveletvégzo egységek isPl. ALU, cache, stb



A termikus modell eloállítása

1 Elo kell állítani a termikus válaszfüggvényeket2 Meg kell oldani a hovezetés Laplace egyenletét (1)3 Egységugrás gerjesztésre adott ugrásválasz a(t)4 Minden cellára kiszámoljuk a saját és a többi cella válaszát

N cella esetén N2 válaszfüggvényAdatok: anyagparaméterek (c, λ), disszipációk helye, méretek,peremfeltételekCél: a struktúrát modellezo ekvivalens RC hálózat elkészítéseSPICE analóg szimulátorral számíthatóak a homérsékletek

∂2T∂x2 +

∂2T∂y2 +

∂2T∂z2 =

cλ

∂T∂t

(1)


Termikus szimuláció Idoállandó-spektrumok meghatározása

Idoállandó-spektrum

Az a(t) ugrás-válaszokból kiszámoljuk a termikus idoállandó-spektrumot R(z)

Széles idotartomány (ms–óra), ezért z = ln(t) helyettesítés (loga-ritmikus x tengely)Hálózati identifikáció dekonvolúcióval (NID)


Termikus szimuláció Diszkretizáció

Idoállandó-spektrumok diszkretizációja

Az ekvivalens RC modellhez véges számú értékre kell redukálni afolytonos idoállandó-spektrumot


Termikus szimuláció RC modell

Az RC modell elemértékei

I

U

R1

C1

U1

R2

C2

U2

Rk

Ck

Uk

τi = ezi

Ri = Ki

Ci =τi

RiU = homérséklet, I = futoteljesítmény (disszipáció)A homérsékletek meghatározhatóak SPICE analóg szimulációval


CellTherm szimulátor




CellTherm logi-termikus szimulátor

EET fejlesztésTetszoleges szabványos logikai szimulátort használTanszéki fejlesztésu termikus szimulátorLogikai és termikus szimulátor közötti összeköttetésSzabványos interfészen kommunikál: Verilog PLI


CellTherm szimulátor Részletes folyamat

A logi-termikus szimuláció részletes folyamataMagasszintu leírás

(Verilog, Sys-temC, VHDL, stb.)

SzintézisSzintetizált

Verilog struk-turális leírás

Layout,P&R

GDSII,LEF/DEF,

XML kimenet

Logikai szimulá-tor (QuestaSim)

Tesztkörnyezetkészítés, bemenovektorok, PLI inic.

CellTherm

Verilog PLI

Energiaértékekkigyujtése

Eldo egyedi netlistaszimuláció ∀cellára,∀bemeneti komb.-ra

Adatbáziskészítés

<cella típus>:<Emax >:<Emin>

Liberty tel-jesítményinformáció

LayTherm termi-kus szimulátor

Homérsékleteloszlás

Homérséklet-és layout-függokésleltetések

SDF idozítések

Layout adatok

VerilogPLI

esemény-kezelok Teljesítmény

adatok

Külso hívás

VisszahelyettesítésPLI rutinokkal

Teljesítményadatok


CellTherm szimulátor Verilog PLI

Verilog PLI

Minden HDL nyelv (VHDL, Verilog) támogatja a felhasználó általírt bovítményeketVerilog PLI: Programming Language InterfaceSaját függvények készíthetoek, amik meghívhatóak a HDL kódból(pl. $display(), $finish(), stb.)Ezek C/C++ modulok, dinamikusan betölthetoek (.dll/.so)A logikai szimulátor ezeket a felhasználói függvényeket meghív-hatjaKi lehet egészíteni a logikai szimulátort akár egy termikus szimu-látorral is



A PLI használata

module testpli;

i n i t i a l$hellovilag();

5 //{usertask, 0, 0, 0, hello,0, "$hellovilag"}

endmodule

1. kódrészlet. Verilog kód

Fordításgcc -fPIC -shared-I/questasim/include-o pli.so pli.c

#include <veriuser.h>#include <acc_user.h>

PLI_INT32 hello(PLI_INT32 data,PLI_INT32 reason)

5 {io_printf("Hello Vilag!");return 0;

}

10 s_tfcell veriusertfs[] = {{usertask, 0, 0, 0, hello, 0,"$hellovilag"},

{0} /* last entry must be 0 */};

15 void init_usertfs(){

p_tfcell usertf = veriusertfs;while (usertf->type)

mti_RegisterUserTF(usertf++);20 }

2. kódrészlet. PLI C kód



QuestaSim indítása saját PLI rutinnal

Munkakönyvtár létrehozása$> vlib munka

Munkakönyvtár hozzárendelés$> vmap work munka

Verilog forrás fordítása$> vlog pli.v

QuestaSim indítása$> vsim -pli pli.so testpli



A szimulátor kimenete

Reading/soft/mentor/ams/questasim/v10.1/tcl/vsim/pref.tcl

# 10.1# vsim -c -pli pli.so testpli# Loading ./pli.so

5 # // Questa Sim-64# // Version 10.1 linux_x86_64 Dec 5 2011...# //# Loading work.testpli

10 #VSIM 1> run# Hello Vilag!


CellTherm szimulátor Tesztkörnyezet

Logi-termikus tesztkörnyezet

‘include "ringosc.v"‘define TH_TIMESTEP 1e6 // = 1ms‘timescale 1ns / 1psmodule testbench;

5 reg clk;reg run;wire ring_out;

top dut (clk, run, ring_out);10

i n i t i a lbegin

15clk = 0;run = 1;end

20 always #1000 clk = ~clk;

25

endmodule


CellTherm szimulátor Tesztkörnyezet

Logi-termikus tesztkörnyezet

‘include "ringosc.v"‘define TH_TIMESTEP 1e6 // = 1ms‘timescale 1ns / 1psmodule testbench;

5 reg clk;reg run;wire ring_out;

top dut (clk, run, ring_out);10

i n i t i a lbegin$celltherm_initlayout(dut,10,10,"ringosc.lib","ringosc.lef","ringosc.def");$celltherm_init(dut,1,‘TH_TIMESTEP);

15clk = 0;run = 1;end

20 always #1000 clk = ~clk;

// Termikus motor hivasa, pl. dt = 1 ms// #1e6 = 1ms

always25 begin

#‘TH_TIMESTEP $celltherm_calc(‘TH_TIMESTEP, 25);end

endmodule


CellTherm szimulátor Teljesítmény karakterizáció

Teljesítmény karakterizáció

t

Bemenofeszültség

(n). félperiódus(n + 1).

félperiódus

Félperiódus2

Félperiódus2

t

P(t)

Helyi maximum 1%-a

T1 T2

Helyi maximum

Minden celláraBemeneti meredekség-gel és terhelo kapacitás-sal paraméterezveAnalóg SPICE szimulá-torralP(t) alatti terület energiaCMOS-nál jó


CellTherm szimulátor Teljesítmény karakterizáció

A teljesítmény-suruség számítása

Logikai szimulátorból→ kapcsolási aktivitás∆t ido alatti jelváltások száma (n)

Kapcsolási (dinamikus) energia Ekapcs =T2∫T 1

P(t)dt

P∆t =Ekapcs

∆t∆t alatt fogyasztott teljesítmény minden celláraPátlag = n · P∆t

Pátlag-gal hívjuk meg a termikus szimulátortA termikus szimulátor minden ∆t-re ad egy homérsékletet∆t milliszekundumos nagyságrendu


CellTherm szimulátor Liberty

Liberty adatbázis

A cellakönyvtárral jön (általában)Ha nincs ilyenünk, akkor kézzel kell karakterizálni (lásd teljesít-mény karakterizáció)Idozítések és fogyasztások minden celláraBemeneti jelmeredekséggel és terhelo kapacitással paraméterez-veSzöveges fájl, könnyen olvashatóMi is tudunk ilyet csinálni SPICE szimulációk alapjánpin(CO) {

direction : output;max_capacitance : 0.32;

internal_power() {5 rise_power(power_outputs_0) {

values( " 0.078, 0.054, -0.029, -0.358, -0.798",\" 0.085, 0.061, -0.023, -0.352, -0.796",\" 0.096, 0.072, -0.013, -0.344, -0.798",\" 0.123, 0.097, 0.009, -0.323, -0.837");

10 }


CellTherm szimulátor Particionálás

Particionálás

N cella, modell generá-lási ido ∼ N2

N2 darab modellCellák helyett hálószerufelbontás

Termikus modell szá-mítása gyorsabbTöbb ezer cellánál ismuködik, RC hálózatgenerálása konstansido

Kisebb felbontás, a fel-bontás növeléséhez apartíciók tovább osztha-tók

DFFRdffr1

DFFRdffr2

DFFRdffr3

DFFRdffr4

nand

gate

nand

gate

1

inve

rter

: inv

1in

vert

er: i

nv1

inve

rter

: inv

2

inve

rter

: inv

3

inve

rter

: inv

4

inve

rter

: inv

5

inve

rter

: inv

6

inve

rter

: inv

7

inve

rter

: inv

8

inve

rter

: inv

9

inve

rter

: inv

10



Teljesítmény számítása a partíciókban

Egy partícióban fogyasztott teljesítmény a benne található cellákteljesítményével arányos

p20

p10

p00

p21

p11

p01

p22

p12

p02

c1

5%

21%

10%

64%

P(p00) = 0,05 · P(c1)

P(p01) = 0,10 · P(c1)

P(p10) = 0,21 · P(c1)

P(p11) = 0,64 · P(c1)



A particionálás által bevitt hiba

xbuf1xbuf2xbuf3xbuf4

xinv10xinv2xinv3

xinv4xinv5xinv6xinv7xinv8xinv9

xnand

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Hib

a[%

]

Szimulációs ido [s]


CellTherm szimulátor Gyorsítás

A szimuláció gyorsítása

Gigahertzes muködésnél a tiszta logikai szimuláció is lassúA nagy termikus idoállandók miatt sokáig kell szimulálni (1-10sec)Egy skálafaktorral (pl. f = 10× vagy 100×) növeljünk meg mindenkésleltetést és kapcsolási energiátKésleltetés ↑, frekvencia (ν) ↓, kapcsolási energia ↑

E = C · U2

P = C · U2 · ν

P ′ = E ′ · ν ′ = 10E · 110ν = E · ν

P ′ = P


CellTherm szimulátor Gyorsítás

A skálázással bevitt hiba

Nem jelentos

1×–10× skálázás relatív eltérése

0.24

0.242

0.244

0.246

0.248

0.25

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Rel

atív

elté

rés

[%]

Ido [s]

1474.9

217.9

40.0

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 10 100

Asz

imul

áció

idot

arta

ma

[s]

Skálázási faktor


Homérsékletfüggo késleltetések

Homérsékletfüggokésleltetések



Idozítési problémák

Logi-termikus szimulációval meghatározhatóak a hot-spot-okAz idozítések megváltoznak a melegedés miattSzélsoséges homérsékletnél a megfelelo logikai muködés meghi-úsulhat. (pl. setup és hold time nem teljesül)



Késleltetés-homérséklet függések

Minden cellára meg lehet határozni

17.82

18.36

19.01

17.2

17.4

17.6

17.8

18

18.2

18.4

18.6

18.8

19

19.2

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

Az

inv

cella

késl

elte

tése

[ps]

Homérséklet [◦C] INV cella

31.51

31.67

24.11

24

25

26

27

28

29

30

31

32

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

Ana

ndce

llaké

slel

teté

se[p

s]

Homérséklet [◦C] NAND cella


Homérsékletfüggo késleltetések SDF

SDF – Standard Delay Format

A szintézer elkészíti a pre- éspost-layout idozítési adatbá-zistSDF – Standard Delay FormatSzöveges fájl, késleltetésekminden cellára, setup/holdidok definíciója, stb.Pontos idozítési értékek az el-helyezéstol és vezetékezéstolfüggoenCsak 3 sarokpontban tárolja elaz idozítéseket, ezzel baj leszkésobb!

(DELAYFILE(SDFVERSION "2.0")(DESIGN "ringosc")(TIMESCALE 1 ns)

5 ...(CELL(CELLTYPE "dffr")(INSTANCE dffr1)(DELAY

10 (ABSOLUTE(PORT D (::0.00) (::0.00))(PORT CLK (::0.00) (::0.00))(PORT R (::0.00) (::0.00))(IOPATH CLK Q (::0.49) (::0.53))

15 (IOPATH R Q (::0.00) (::0.58))(IOPATH CLK QB (::0.39) (::0.30))(IOPATH R QB (::0.44) (::0.00))))

(TIMINGCHECK(SETUP D (posedge CLK) (0.47))

20 (HOLD D (posedge CLK) (0.06))))


Homérsékletfüggo késleltetések SDF

Az SDF használata logikai szimulációban

A logikai szimulátor támogatja az SDF formátumotA cellák késleltetéseit az SDF-bol helyettesíti beValós késleltetések


Homérsékletfüggo késleltetések Idozítési problémák detektálása

Setup- és hold idozítés

A logikai szimulátor jelzi, ha a setup vagy hold feltételek nem tel-jesülnek.Ez be van építve minden logikai szimulátorbaPontos idozítési vizsgálatok végezhetok

elokészítés

Adat

Órajel

tartás

Adat

Órajel



D flip-flop cella idozítései

Egy D flip-flop cella késleltetése több homérsékletenBizonyos homérséklet felett a setup-time nem teljesülA bemeneti változás nem jut ki a kimenetre

Órajel (CLK)

−40 ◦C−30 ◦C−20 ◦C−10 ◦C

0 ◦C10 ◦C20 ◦C

30 ◦C40 ◦C50 ◦C60 ◦C70 ◦C80 ◦C90 ◦C

0

1

2

3

4

5

8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0

Fesz

ülts

ég[V

]

0

1

2

3

4

5

8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0

Qki

men

etfe

szül

tség

e[V

]

Ido [ns]



D flip-flop cella késleltetése

Cella késleltetés a homérséklet függvényébenAz analóg szimulációt −40–+90 ◦C között futtattukCsak −40–+50 ◦C tartományban értelmezheto50 ◦C felett nem jut ki a bemenet a kimenetre→ a késleltetés nemértelmezett

CLK→ Q késleltetésCLK→ QB késleltetés

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Kés

lelte

tés

[ns]

Homérséklet [◦C]



SDF értékek a DFFR cellára (D flip-flop tároló)Setup time: 470 psHold time: 60 ps

1800 ps− 1500 ps = 300 ps300 ps < 470 ps



Konzekvenciák

A homérsékleti eloszlást le kell képezni késleltetés értékekreSzükséges a homérséklet-késleltetés görbék kinyeréseA megváltozott késleltetések a szimuláció közben visszahelyette-síthetok, a szimulátor a megváltozott értékekkel számol továbbHa ebbol adódóan idozítési hiba lép fel, a szimulátor ezt jelzi!


Demonstrációs áramkör




Teszt áramkör – gyurus oszcillátor

Felület: 0,518 mm× 0,355 mm4 puffer cella, 10 inverter, 1 NAND kapuGyurus oszcillátor: 1 NAND + 10 inverterA ring oszcillátor frekvenciája eltolódik a változó homérséklet mi-att

xbuf2

xbuf4

xbuf3

xbuf1

xnand

xinv1

xinv2

xinv3

xinv10

xinv9

xinv5

xinv4

xinv6

xinv7

xinv8



Ring oszcillátor Verilog leírása

‘timescale 1ns / 1psmodule top(run, data, osc, buf_out);

input run;input [3:0] data;

5 output osc;output [3:0] buf_out;

wire w1, w2, w3, w4, w5, w6, w7, w8, w9, w10;

10 buf02 xbuf1 ( .Y(buf_out[0]), .A(data[0]) );buf02 xbuf2 ( .Y(buf_out[1]), .A(data[1]) );buf02 xbuf3 ( .Y(buf_out[2]), .A(data[2]) );buf02 xbuf4 ( .Y(buf_out[3]), .A(data[3]) );

15 nand02 xnand ( .Y(w1), .A0(run), .A1(osc) );

inv01 xinv1 ( .Y(w2), .A(w1) );inv01 xinv2 ( .Y(w3), .A(w2) );inv01 xinv3 ( .Y(w4), .A(w3) );

20 inv01 xinv4 ( .Y(w5), .A(w4) );inv01 xinv5 ( .Y(w6), .A(w5) );inv01 xinv6 ( .Y(w7), .A(w6) );inv01 xinv7 ( .Y(w8), .A(w7) );inv01 xinv8 ( .Y(w9), .A(w8) );

25 inv01 xinv9 ( .Y(w10), .A(w9) );inv01 xinv10 ( .Y(osc), .A(w10) );

endmodule


Demonstrációs áramkör Kézi számítás

Kézi számításJelölés Érték

Felület A 1,841 · 10−7 m2

Si réteg vastagsága d 5 · 10−5 mSi termikus vezetoképessége λ 156,3 W

m KFutoteljesítmény P 4,022 mW

Alsó hutés HTC 500 Wm2 K

Környezeti homérséklet Tamb 0 ◦C

P Rth Rhutés

Rth =1λ·

dA

=1

156,3·

5 · 10−5

1,841 · 10−7

[m KW·

mm2

]= 1,737

KW

Ghutés = 500W

m2 K

Rhutés =1

500·

11,841 · 10−7

[m2 K

W·

1m2

]= 10,863 · 103 K

W

T = P · (Rth + Rhutés) = 4,022 · 10−3 ·(

10,863 · 103 + 1,737)

= 43,7 ◦C


Demonstrációs áramkör Szükséges adatok

Milyen adatok kellenek egy logi-termikusszimulációhoz?

Layout leírás (LEF/DEF)Teljesítmények adatbázisa (Liberty)A sztenderd cellák Verilog viselkedési leírásaSDF késleltetéseket tartalmazó fájlVerilog testbench



Layout leírás (LEF/DEF)

Sztenderd cellás áramköröknél szabványos leírási módLEF/DEF formátum, szöveges fájlokMinden szintézer szoftver által ismert ki- és bemeneti formátumLEF

Minden cella prototípusát tartalmazzaMéret, belso összeköttetésekRétegek leírása, viák helyzeteBelso elektromos összeköttetések

DEFA cella prototípusok példányosításaPl. inverter cella: inv1, inv2, . . ., inv10Megadja a cellák pontos helyét a layout-onÖsszeköttetések, vezetékek a cellák között



Teljesítmények adatbázisa (Liberty)

Szabványos, nyílt formátum a cellakönyvtár jellemzoinek tárolásá-raSzöveges formátumIdozítésekKésleltetésekCella kapacitásokTeljesítményekEgy jelváltás egy bizonyos cella egy portján hány Joule energiafogyasztással jár (ezt fogjuk felhasználni!)Minden adat táblázatos formában van jelen, pl:

A fogyasztott teljesítmény függ a terhelo kapacitástól. . . és a gerjeszto jelek felfutási/lefutási idejétolEz egy 3 dimenziós táblázat



Verilog viselkedési leírás

A cellakönyvtár tartalmazza minden cella viselkedési leírásátÍgy lehet logikai szimulációt végezni

‘celldefine‘timescale 1ns / 1psmodule nandgate(OUT, A, B);

input A;5 input B;

output OUT;

specifyspecparam delayA = 1;

10 specparam delayB = 1;

(A => OUT) = (delayA);(B => OUT) = (delayB);

endspecify15

assign OUT = ~(A===1’bx ? 0 : A & B===1’bx ? 0 : B);endmodule‘endcelldefine



SDF késleltetések

A szintézer program generáljaTartalmazza minden cella késleltetését és a setup/hold feltételeket

(DELAYFILE(SDFVERSION "2.0")(DESIGN "ringosc")(TIMESCALE 1 ns)

5 ...(CELL(CELLTYPE "dffr")(INSTANCE dffr1)(DELAY

10 (ABSOLUTE(PORT D (::0.00) (::0.00))(PORT CLK (::0.00) (::0.00))(PORT R (::0.00) (::0.00))(IOPATH CLK Q (::0.49) (::0.53))

15 (IOPATH R Q (::0.00) (::0.58))(IOPATH CLK QB (::0.39) (::0.30))(IOPATH R QB (::0.44) (::0.00))))

(TIMINGCHECK(SETUP D (posedge CLK) (0.47))

20 (HOLD D (posedge CLK) (0.06))))


Demonstrációs áramkör Eredmények

Teljesítmény térkép

A puffer cellák fogyasztása 1 mW/billenésAz inverterek fogyasztása 1 µW/billenés

Teljesítménysuruség a 3,4. másodpercben0

0.05

16

0.10

3

0.15

5

0.20

6

0.25

8

0.31

0.36

1

0.41

3

0.46

4

0.51

6

Szélesség [mm]

00.03530.0707

0.1060.1410.1770.2120.2470.2830.3180.353

Mag

assá

g[m

m]

0

20

40

60

80

100

120

140

Telje

sítm

énys

urus

ég[m

Wcm

2]

xbuf2

xbuf4

xbuf3

xbuf1

xnand

xinv1

xinv2

xinv3

xinv10

xinv9

xinv5

xinv4

xinv6

xinv7

xinv8



Homérsékleti térkép

A fogyasztási eloszlás alapján kialakult homérsékleti térkép

xbuf2

xbuf4

xbuf3

xbuf1

xnand

xinv1

xinv2

xinv3

xinv10

xinv9

xinv5

xinv4

xinv6

xinv7

xinv8



Homérsékleti diagram

A DFFR cellák és az inv5 cella homérsékleteif (t) = A

(1− e−

tτ

)A homérséklet megegyezik a kézzel számolttal (43,7 ◦C)

buf1nandinv5

43.59

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Tem

pera

ture

[◦C

]

Time [s]



A ring oszcillátor frekvenciája

Frekvencia és periódusido idofüggéseOszcillációs frekvencia

Periódusido

1.40

1.42

1.44

1.46

1.48

1.50

1.52

0 1 2 3 4 5650

660

670

680

690

700

710

720

Frek

venc

ia[G

Hz]

Perió

dusi

do[p

s]

Ido [s]



A ring oszcillátor frekvenciája

Frekvencia és periódusido az inv5 cella homérsékletének függ-vényében

Oszcillációs frekvenciaPeriódusido

1.4

1.42

1.44

1.46

1.48

1.5

1.52

0 5 10 15 20 25 30 35 40650

660

670

680

690

700

710

720

Frek

venc

ia[G

Hz]

Perió

dusi

do[p

s]

Az inv5 cella homérséklete [◦C]


Verifikáció

Verifikáció


Verifikáció

SPICE–logi-termikus verifikáció

CellTherm szimulációSPICE szimulació

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Hom

érsé

klet

[◦C

]

Ido [s]

Az eltérés 3,5 % alatti

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5H

iba

[%]

Ido [s]


Verifikáció

A frekvenciamenet SPICE verifikációja

SPICECellTherm

1.36

1.38

1.4

1.42

1.44

1.46

1.48

1.5

1.52

5 10 15 20 25 30 35 40

Frek

venc

ia[G

Hz]


Az eltérés 3,5 % alatti

3

3.05

3.1

3.15

3.2

3.25

3.3

3.35

3.4

3.45

5 10 15 20 25 30 35 40R

elat

ívhi

ba[%

]Homérséklet [◦C]


Verifikáció

CellTherm és LogiTherm összahasonlítás

A LogiTherm szintén az EET tanszéken fejlesztett más elvu logi-termikus szimulátor

LogithermCellTherm

25

26

27

28

29

30

31

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Hom

érsé

klet

[◦C

]

Ido [s]

Az eltérés 1 % alatti

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Rel

atív

hiba

[%]

Ido [s]


Ipari áramkör

Ipari áramkör


Ipari áramkör

Ipari méretu és bonyolultságú áramkör

POLITO torinoi muszaki egyetem fejlesztéseJelfeldolgozó áramkör, 1490 cella


Ipari áramkör

POLITO áramkör szimulációja

Teljesítmény eloszlás 4,56 másodperc után

0

0.01

2

0.02

4

0.03

6

0.04

8

0.06

0.07

2

0.08

4

0.09

6

0.11

0.12

Szélesség [mm]

0

0.012

0.024

0.036

0.048

0.06

0.072

0.084

0.096

0.11

0.12

Mag

assá

g[m

m]

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

Telje

sítm

énys

urus

ég[µW cm

2]

Homérséklet eloszlás 4,56 másodperc után

0

0.01

2

0.02

4

0.03

6

0.04

8

0.06

0.07

2

0.08

4

0.09

6

0.11

0.12

Szélesség [mm]

0

0.012

0.024

0.036

0.048

0.06

0.072

0.084

0.096

0.11

0.12

Mag

assá

g[m

m]

0.183

0.184

0.185

0.186

0.187

0.188

0.189

Hom

érsé

klet

külö

nbsé

g[◦

C]


Új modell

Új homérsékletfüggo idozítésimodell


Új modell

Probléma az SDF modellel

Csak a sarokpontoknál (design corners) pontosA sarokpontok között lineáris interpoláció kellNem a pontos késleltetés-homérséklet görbével számolunk!

Pontos homérsékletfüggo késleltetésSDF interpolált késleltetés

1.78 ns

1.84 ns

1.90 ns

1.7

1.75

1.8

1.85

1.9

1.95

-20 0 20 40 60 80

Kés

lelte

tés

(inve

rter

cella

)[ns

]


Pontos homérsékletfüggo késleltetésSDF interpolált késleltetés

3.15 ns

3.17 ns

2.41 ns

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

-20 0 20 40 60 80

Kés

lelte

tés

(NAND

cella

)[ns

]



Új modell

Szimuláció SDF késleltetések alapján

Törés 0,144 s-nálItt lesz 25 ◦C fokos a homérsékletTöréspont a linearizált SDF karakterisztikában!Pontatlan!

41.8

42

42.2

42.4

42.6

42.8

43

43.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Osz

cillá

torp

erió

dusi

do[n

s]


0,144 s


Új modell

Szimuláció a tényleges hofüggo késleltetésekkel

Sokkal pontosabb eredmények!

41.8

42

42.2

42.4

42.6

42.8

43

43.2

43.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Osz

cillá

torp

erió

dusi

do[n

s]



Új modell

A pontos és a linearizált SDF eredmények eltérése

Pontos késleltetésekSDF késleltetések

41.8

42

42.2

42.4

42.6

42.8

43

43.2

43.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Osz

cillá

torp

erió

dusi

do[n

s]



Összegzés

Összegzés

A CellTherm a BME EET tanszéken fejlesztett logi-termikus szi-muláció futtatására alkalmas eszközDigitális standard cellás áramkörök szimulációjára alkalmasIpari logikai és termikus szimulátorokat kapcsol össze szabványosinterfészekkelAz IC tervezoknek nem kell új eszközöket megismerniükA homérsékletfüggo késleltetések figyelembe vételével képes je-lezni, ha a megváltozott homérsékletek miatt az áramkör funkcio-nálisan muködésképtelenné válik


Documents

Logi-termikus szimuláció - EETtimar/data/celltherm.pdf · Bevezetés Mit jelent a logi-termikus? Logikai szimuláció Tisztán digitális Nem foglalkozik a ho-˝ mérséklettel