静态时序分析 - OCV

• 参考
  • https://mp.weixin.qq.com/s/o0ijKcl07LbPjdF6uRrAXw（公众号：全栈芯片工程师）
  • https://cloud.tencent.com/developer/article/1500279
  • https://cloud.tencent.com/developer/article/1611170
  • https://www.cnblogs.com/lelin/p/11397497.html
  • https://aijishu.com/a/1060000000194153

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1. OCV

• OCV的全称是On Chip Variation，用于描述在一块芯片上不同管子间由于工艺偏差、电压降以及温度变化等引起的delay变化。

• 可以通过derate 特定单元/走线的延迟来对OCV的影响进行建模。

  • 使用指令如下，对延迟进行derate处理。下面的指令是指定所有的网络延迟和单元延迟，也可以使用tcl脚本单独指定cell delay 或 net delay。

    # 降低延迟20%
    set_timing_derate -early 0.8
    # 增加延迟10%
    set_timing_derate -late 1.1
    

• 拒绝过于悲观

  

  • 注意对于上图这种 Launch clock 和 Capture clock 存在一段公共的时钟路径，这部分不应该对其进行derate处理，因为这部分物理实现上为处在同一个PVT条件下。Synopsys 称为CRPR = Clock Reconvergence Pessimism Removal。

    • CRPR 是基于时序弧分析的，而不是gate分析的。
      • 如下图所示，Innovus的分析行为是：如果Launch clock 和 Capture clock在时钟源的边沿相同，且到达common point时边沿时亦相同，那么CRPR的值就是从时钟源到common point的延时。如果不满足前面两个情况，那么CRPR的值就为两个时序弧延时的最小值。
      

  • 考虑time derate需要在某个单一条件下，比如说BC或者WC条件下，但是不要把多个Corner(例如：BC和WC)混在一起，再OCV，那样太过于悲观。

• OCV 的分析与计算

  • 以上面的电路为例，不考虑OCV影响，计算最小周期T需要满足
    \[1.2+0.8+5.2+0.35 <= T+1.2+0.86 \]

  • 考虑OCV影响，使用tcl指令针对setup检查和hold检查分别加以约束。
    • setup检查
      • 对于Launch clock path 和 data path 使用 -late 选项；对Capture clock path 使用 -early 选项。
      • 但是考虑到setup check 一般在WC PVT下，因此不需要在Launch clock path 和 data path上加time derate了，因为在WC下，其delay已经是所有corner中最大的了；但是在WC下，Capture clock path上的delay一定不是最小的，所以可以加derate指令。

        set_timing_derate -early 0.9
        set_timing_derate -late 1.0
        

      • 此时最小周期T计算满足（进行共同路径悲观去除，CPPR）
        \[0.8 + 5.2 + 0.35 <= 0.86*0.9 + T \]

    • hold检查
      • 对于Launch clock path 和 data path 使用 -early 选项；对Capture clock path 使用 -late 选项。
      • 但是考虑到hold check 一般在BC PVT下，因此不需要在Launch clock path 和 data path上加time derate了，因为在BC下，其delay已经是所有corner中最小的了；但是在BC下，Capture clock path上的delay一定不是最大的，所以可以加derate指令。

        set_timing_derate -early 1.0
        set_timing_derate -late 1.2
        

• OCV & BC-WC

  • 静态时序分析工具给出了3种分析模式

    • Single mode
    • BC-WC
    • OCV mode（AOCV,POCV）

  • OCV的原始定义如下，可以看到与BC-WC混合模式十分相似。只是在计算setup和hold中都混用了max库和min库。

    • 但是前面也有介绍，为了不要太悲观，我们一般不会采用这种BC,WC混用。
    

  • BC-WC模式如下。

    

2. AOCV

• 为什么需要AOCV

  • 在40nm之前，简单的OCV derate模型基本可以覆盖大部分情况，且不会悲观到不能接收。
  • 如下图所示，OCV模式设置的derate值与path depth无关，导致其既不能cover最悲观的部分，但又对另一部分过于悲观。在40nm之后，随着设计的频率不断提升，OCV所引入的不准确性已经无法承受。
    

• Distance based AOCV

  • 距离越远的cell之间的variation越大，所以AOCV的分析策略可以是Distance Based，距离越大，derate越大。
  • 这个距离是指timing path所在物理范围矩形对角线的长度。timing path的位置信息可以由SPEF提供，要求抽SPEF时需要将坐标信息也抽出，而在STA读SPEF时，将坐标信息读入。
  

• Depth based AOCV

  • 考虑到不可能一条path上的所有cell的variation都是悲观的，会存在一些cell的variation是相互抵消的，所以在Depth based AOCV模型中，depth越大，derate值越小。
  

• AOCV Table

  • 有一维和二维两种。
    • 一维：坐标为 depth。
    • 二维：坐标为 distance 和 depth。虽然较一维更为准确，但是runtime也更大。

3. POCV

• 为什么需要POCV

  • AOCV 如果是基于GBA进行分析，那么精度不够，过于悲观；如果基于PBA进行分析，runtime又无法接受。
    • GBA和PBA的相关解释可见这篇博客。
  • AOCV没有考虑input transition和output load对variation的影响，以及variation对input transition的影响。
  • 使用一种新的计算模型：Synopsys 叫 POCV(Parametric OCV)，Cadence 叫 SOCV(Statistical OCV)。
  • POCV 将delay模拟成一个正态分布进行计算。如下图可知，POCV(SOCV)计算的值更精准。
    

• POCV derate计算

  • 对每个cell分别建模，cell 的 derate 是一个基于μ和σ的高斯随机变量函数，如下所示。

    

  • 根据读入的LVF文件（LVF一般由foundry提供），可以根据input transition 和 output load 查找到平均延时和Sigma值。根据下表完成计算。其中n一般为3.

    	setup check	hold check
    Capture clock path	M-n*S	M+n*S
    Launch clock path	M+n*S	M-n*S

  • 以计算delay variation为例，cell rise中的值为M，而ocv_sigma_cell_rise中的值为S。

    

• LVF (Liberty Variation Format)

  • 传统的LVF文件中有输出为cell delay、output transition 以及timing check的LUT，LUT的index与NLDM/CCS一样都为 input transition 和 output load。

  • 从文件中可以根据高斯分布delay的计算公式以及分析场景分别计算出正确的delay和transition。

    • 这里可以看到LVF 查找表中考虑到了variation对transition的影响，并将该transition的值一级一级通过查找表传递。
    

  • 考虑进入16nm，先进工艺结点和超低电压都会导致cell的delay为一个强非高斯分布，会出现均值偏移(mean-shift)以及偏斜效应(skewness effects)。

    • 为了解决，引入3个moment-based模型。详细解释见这篇文章。