這一期我們來(lái)討論一些名詞，就是標(biāo)題里滿(mǎn)滿(mǎn)當(dāng)當(dāng)?shù)挠⑽膯卧~。當(dāng)然，其中最核心也是最基本的，就是OCV。什么是OCV？它又有什么含義呢？或許后端的朋友們對(duì)它相對(duì)熟悉些。

某種意義上來(lái)說(shuō)，芯片很脆弱。在生產(chǎn)中，外界環(huán)境的各種變化，比如PVT，都可能會(huì)使芯片產(chǎn)生不同的誤差，從而導(dǎo)致同一晶圓上不同區(qū)域上的芯片里的晶體管速度變快或變慢，從而產(chǎn)生corner的概念。

由于這些偏差的存在，不同晶圓之間，同一晶圓的不同芯片之間，同一芯片的不同區(qū)域之間，情況都是不相同的。造成這些差異的因素有很多種，這些因素造成的不同主要體現(xiàn)：

1，IR Drop造成局部不同的供電的差異；

2，晶體管閾值電壓的差異；

3，晶體管溝道長(zhǎng)度的差異；

4，局部熱點(diǎn)形成的溫度系數(shù)的差異；

5，互連線(xiàn)不同引起的電阻電容的差異。

而OCV就可以描述PVT在單個(gè)芯片所造成的影響，我們?cè)跁r(shí)序分析時(shí)引入derate參數(shù)模擬OCV效應(yīng)，其通過(guò)改變時(shí)延遲的早晚來(lái)影響設(shè)計(jì)。

在了解OCV和它的演進(jìn)歷程之前，我們不妨多了解些概念，可以有助于我們更全面地去理解它。

工藝角（Process?Corner）

與雙極晶體管不同，在不同的晶片之間以及在不同的批次之間，MOSFETs 參數(shù)變化很大。為了在一定程度上減輕電路設(shè)計(jì)任務(wù)的困難，工藝工程師們要保證器件的性能在某個(gè)范圍內(nèi)。如果超過(guò)這個(gè)范圍，就將這顆IC報(bào)廢了，通過(guò)這種方式來(lái)保證IC的良率。

傳統(tǒng)上，提供給設(shè)計(jì)師的性能范圍只適用于數(shù)字電路并以“工藝角”（Process Corners）的形式給出。其思想是：把NMOS和PMOS晶體管的速度波動(dòng)范圍限制在由四個(gè)角所確定的矩形內(nèi)。這四個(gè)角分別是：快NFET和快PFET，慢NFET和慢PFET，快NFET和慢PFET，慢NFET和快PFET。

例如，具有較薄的柵氧、較低閾值電壓的晶體管，就落在快角附近。從晶片中提取與每一個(gè)角相對(duì)應(yīng)的器件模型時(shí)，片上NMOS和PMOS的測(cè)試結(jié)構(gòu)顯示出不同的門(mén)延遲，而這些角的實(shí)際選取是為了得到可接受的成品率。因此，只有滿(mǎn)足這些性能的指標(biāo)的晶片才認(rèn)為是合格的。在各種工藝角和極限溫度條件下對(duì)電路進(jìn)行仿真是決定成品率的基礎(chǔ)。

工藝角分析，corner analysis，一般有五種情況：

fast nmos and fast pmos（ff）

slow nmos and slow pmos（ss）

slow nmos and fast pmos（sf）

fast nmos and slow pmos（fs）

typical nmos and typical pmos（tt）

t,代表typical(平均值)

s,代表slow（電流小）

f,代表fast（電流大）

PVT(process,voltage,temperature)

設(shè)計(jì)除了要滿(mǎn)足上述5個(gè)corner外，還需要滿(mǎn)足電壓與溫度等條件,形成的組合稱(chēng)為PVT(process,voltage,temperature) 條件。

設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)師還?？紤]找到最好最壞情況，時(shí)序分析中將最好的條件(Best Case)定義為速度最快的情況, 而最壞的條件(Worst Case)則相反。

根據(jù)不同的仿真需要，會(huì)有不同的PVT組合。以下列舉幾種標(biāo)準(zhǔn)STA分析條件：

WCS(Worst Case Slow):slow process,high temperature,lowest voltage

TYP(typical):typical process,nominal temperature,nominal voltage

BCF(Best Case Fast):fast process,lowest temperature,high voltage

WCL (Worst Case @ Cold):slow process, lowest temperature, lowest voltage

在進(jìn)行功耗分析時(shí)，可能是另外的一些組合，如：

ML(Maximal Leakage):fast process,high temperature,high voltage

TL(typical Leakage):typical process,high temperature,nominal voltage

三種STA(Static Timing Analysis)分析方法：

1，單一模式，用同一條件分析setup/hold；

2，BC_WC模式，用worst case計(jì)算setup，用best case計(jì)算hold；

3，OCV模式，計(jì)算setup 用計(jì)算worst case數(shù)據(jù)路徑，用best case計(jì)算時(shí)鐘路徑；計(jì)算hold 用best case計(jì)算數(shù)據(jù)路徑，用worst case計(jì)算時(shí)鐘路徑。

Tip：

BC-WC：即為best case corner和worst case corner，分別代表兩種不同的PVT環(huán)境。BC時(shí)，timing-arc的時(shí)間最短，WC時(shí)，timing-arc的時(shí)間最長(zhǎng)。

考慮到芯片運(yùn)行環(huán)境的變化，以及在芯片制作中難以克服的工藝原因造成的Die to Die的參數(shù)不同，在原來(lái)Single Mode中通過(guò)分析的芯片，在真實(shí)芯片運(yùn)行中，未必能完成所設(shè)定的功能。

考慮到single mode的粗糙性，在130nm以下的工藝中基本上已經(jīng)不用了。因此設(shè)計(jì)人員引進(jìn)了BC-WC（best corner-worst corner）分析模式。BC-WC模式下，工具會(huì)分析芯片所可能出現(xiàn)的最好和最壞的運(yùn)行情況，保證這兩種極端情況下芯片功能的完整性。

而OCV模式，AOCV模式，POCV模式等均是在不同PVT（不同corner）的基礎(chǔ)上添加derate。

什么是OCV

OCV，也就是On chip variation。

與corner同理，同一塊芯片上的晶體管也會(huì)有變快或者變慢的現(xiàn)象，因此產(chǎn)生了OCV的概念。

在設(shè)計(jì)中引入OCV的目的在于從設(shè)計(jì)角度考慮芯片在實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種差異(variation)，從而適度增加設(shè)計(jì)余量(margin)，減少不必要的設(shè)計(jì)悲觀量(pessimism)。

隨著芯片工藝的發(fā)展，對(duì)于STA的要求也越來(lái)越高，并且設(shè)計(jì)的復(fù)雜度不斷提升。傳統(tǒng)的WC-BC模式已無(wú)法準(zhǔn)確的反應(yīng)芯片的實(shí)際真實(shí)時(shí)序。OCV正是在這種情況下被提出并實(shí)際應(yīng)用到STA中。

OCV在path上設(shè)置統(tǒng)一的derate，悲觀度較高。derate數(shù)值是指對(duì)launch、capture、data line的cell或者net上添加一個(gè)比理想情況更為悲觀的倍數(shù)，比如針對(duì)setup，launch的derate統(tǒng)一設(shè)置為1.1，表示delay時(shí)間增加值原來(lái)的1.1倍，capture的derate統(tǒng)一設(shè)置為0.9，表示delay時(shí)間變?yōu)樵瓉?lái)的0.9倍。從而使設(shè)計(jì)能夠覆蓋實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的variation。針對(duì)common path，利用cppr將悲觀量移除。

Tip：

CPPR (Clock Reconvergence Pessimism Removal)，共同路徑悲觀去除

實(shí)現(xiàn)方式：

(1)運(yùn)用于主PVT庫(kù)對(duì)應(yīng)的微小差異PVT庫(kù)

(2)set_timing_derate命令設(shè)置全局derate值

Tip：

timing derate，我們可以稱(chēng)為時(shí)序增減因子。在芯片的生產(chǎn)過(guò)程中，由于刻蝕、不同點(diǎn)的溫度、金屬不均勻、串?dāng)_、晶體管溝道長(zhǎng)度等影響因素，導(dǎo)致片上各個(gè)位置單元延遲不一樣。因此，我們需要一個(gè)縮放因子來(lái)讓設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格。

timing derate是計(jì)算OCV的一種簡(jiǎn)單方法，在某單一條件（BC-WC）下，把指定path的delay放大或者縮小一些，這個(gè)比率就是derate。

OCV中電壓的考慮

電壓需要分為電壓全局偏差，電壓局部偏差來(lái)理解。

同樣以ffg 0.88v來(lái)check hold為例。我們可以將0.88v作為全局電壓。在這個(gè)電壓下，device的速度最快。但是，由于對(duì)于clock的lauch，capture都采用的最快的device，并不能覆蓋所有的最差情況。

因此，在ocv中增加一部margin來(lái)覆蓋這一部分情況也就可以理解了。

OCV中溫度的考慮

溫度同樣可以劃分為全局溫度偏差，局部溫度偏差。全局溫度偏差，將在PVT中得以體現(xiàn)。由于溫度反轉(zhuǎn)的影響，僅采用極限溫度-40c，125c有時(shí)候并不能覆蓋全局溫度偏差中的最差情況。有時(shí)需要增加額外的溫度的corner。

而由于芯片內(nèi)部不同位置之間，由于device翻轉(zhuǎn)速率，電壓降等不同，導(dǎo)致局部相同的時(shí)序路徑中，溫度也有偏差。采用相同的溫度仍然不能覆蓋所有最差情況。

在進(jìn)行signoff時(shí)，需要增加ocv余量，覆蓋溫度局部偏差。

OCV分析

-OCV建立時(shí)間分析，暫不考慮CPPR

-OCV保持時(shí)間分析，暫不考慮CPPR

-timing derate

-CPPR

關(guān)于AOCV、POCV和LVF

什么是AOCV呢？

隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步以及芯片設(shè)計(jì)的日趨復(fù)雜化，傳統(tǒng)OCV約束方式已經(jīng)越來(lái)越不符合45nm及以下工藝的千萬(wàn)門(mén)級(jí)高速芯片設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)OCV在path上設(shè)置統(tǒng)一derate值的方法，AOCV更為科學(xué)與合理的根據(jù)path的實(shí)際情況加上不同的derate值。通過(guò)科學(xué)合理的方法降低了derate值的悲觀度。

在傳統(tǒng)OCV上引入了對(duì)路徑長(zhǎng)度和整個(gè)路徑在物理上所跨越的距離的考慮。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)一條line中cell在不同的邏輯深度時(shí)的仿真，以及基于前后級(jí)在物理中不同距離來(lái)得到一個(gè)更精確的derate值來(lái)進(jìn)行時(shí)序分析，而不是OCV傳統(tǒng)的粗放式的統(tǒng)一的derate。

AOCV，即Advanced OCV。它在傳統(tǒng)OCV分析方法的基礎(chǔ)之上更進(jìn)一步，在傳統(tǒng)OCV上引入了對(duì)路徑長(zhǎng)度和整個(gè)路徑在物理上所跨越的距離的考慮。

隨著數(shù)據(jù)路徑的增長(zhǎng)，OCV效應(yīng)會(huì)減弱；隨著跨越距離的增加，OCV效應(yīng)又會(huì)增強(qiáng)。AOCV就是要通過(guò)考慮這些OCV效應(yīng)的變化從而避免過(guò)度悲觀的OCV分析。如何來(lái)有效 降低OCV的過(guò)度悲觀，是我們提高時(shí)序分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

因此設(shè)計(jì)人員想到了通過(guò)仿真以及結(jié)合芯片的實(shí)際物理情況，對(duì)每個(gè)cell給出更貼近實(shí)際情況的derate值，將能有效的幫助我們得到更準(zhǔn)確的時(shí)序分析。由此我們引入了AOCV分析模式，在AOCV中，我們將通過(guò)對(duì)cell在不同的邏輯深度時(shí)的仿真，以及基于前后級(jí)在物理中的不同距離來(lái)得到一個(gè)更精確的derate值來(lái)進(jìn)行時(shí)序分析，而不是傳統(tǒng)的粗放式的統(tǒng)一的derate。

AOCV derate table：

(1)path depth：基于cell在整條時(shí)序路徑中所處的深度或者級(jí)數(shù)來(lái)考慮derate

(2)path distance：基于路徑中cell或net跨越的物理距離來(lái)給出相應(yīng)的derate

也正是因?yàn)镺CV存在以下缺點(diǎn)：在實(shí)際中的variation，絕少是一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)值，而大概率是服從正態(tài)分布的。所以AOCV才應(yīng)運(yùn)而生。

既然有了AOCV，為什么要有POCV？

1，當(dāng)工藝進(jìn)化到14nm后，AOCV分析模式中動(dòng)態(tài)設(shè)置時(shí)序減免值的方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足精度要求，其分析結(jié)果的悲觀型也無(wú)法很好地改變。

2，AOCV需要先分析邏輯深度和物理距離兩個(gè)因素，再設(shè)置時(shí)序減免值，導(dǎo)致CPU工作量巨大，時(shí)序分析計(jì)算時(shí)間增加。

3，時(shí)序優(yōu)化過(guò)程中增加或者刪除緩沖器會(huì)改變邏輯深度，然后又需要根據(jù)邏輯深度重新選擇時(shí)序減免值，重新時(shí)序計(jì)算，迭代次數(shù)和時(shí)間增加。

POCV (Parametric On Chip Variation)

POCV，又稱(chēng)SOCV(Statistical On Chip Variation)，如下圖所示，POCV和AOCV一樣將delay模擬成一個(gè)正態(tài)分布。每個(gè)cell的delay最高概率出現(xiàn)在期望值u周?chē)w落在正負(fù)3倍標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)間內(nèi)的概率為99.7%。

以上介紹的時(shí)序分析方法就是POCV，也叫SOCV，全稱(chēng)為Statistic OCV。這是一種比AOCV更加先進(jìn)的分析模式，它放棄了用最worst和最best的情況去標(biāo)記delay，取而代之的是M+nS和M-nS的值，因此timing的情況會(huì)比OCV以及AOCV更加樂(lè)觀。

至于LVF是什么呢

LVF，liberty variation format。是一種和liberty庫(kù)文件（.lib）有關(guān)的數(shù)據(jù)格式。

POCV的內(nèi)容可以集成到類(lèi)似于liberty文件中，有助于時(shí)序分析。

審核編輯 ：李倩