CN101377791B - 三维NoC噪声仿真系统及其仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维NoC噪声仿真系统，该噪声仿真系统由系统电源封装等效模型、电源分配网络等效模型、信号线的π型等效模型和三维串扰模型组成。在此基础上，本发明还公开了一种三维NoC噪声仿真系统的仿真方法，包括：(1)获取系统电源封装等效模型、电源分配网络等效模型、信号线的π型等效模型和三维串扰模型的寄生参数和驱动能力参数；(2)按照三维NoC噪声仿真系统搭建仿真电路；(3)设定外部环境的约束条件；(4)运行仿真工具进行仿真；(5)根据仿真获取的某一时刻的采样结果，来得到整个噪声的等效分布情况。本发明不仅能够模拟服从高斯分布的噪声源，还可以模拟不服从高斯分布的噪声源，主要应用于片上网络。
Description
技术领域
本发明涉及一种噪声模型及其仿真方法，具体地说，是涉及一种三维NoC噪声仿真系统及其仿真方法。
背景技术
片上网络的研究开始于1999年，研究的初衷是探索片上系统通信部分的系统级设计方法。很快，研究就涉及到从物理设计到体系结构、操作系统，以及应用等各个层面。目前，片上网络的概念很宽泛，包括硬件通信结构、中间件、操作系统通信服务以及设计方法和工具等。从系统结构角度看，片上网络研究的重点在于片上网络的拓扑结构、片上网络协议、片上网络服务质量和片上网络的低功耗等。
随着生产技术的进步，未来的制造工艺将迈向纳米级。当制造工艺下降到纳米级时，由于工艺尺寸的缩小和单片集成度的提高，互连线对片上干扰源的敏感程度显著增加。在现有工艺条件下“电器波形总是能够承载正确的片上信息”的假设将会被彻底打破。片上众多的干扰源产生的噪声成为影响通信可靠性的重要问题。如何很好的模拟这些干扰源的影响，并为之提供一种解决方案，成为一个迫切需要解决的问题。
现在在NoC通信可靠性研究领域，还没有一个通用的NoC噪声模型。比较认可的是Hegde和Shanbhag提出的NoC噪声评估模型。此模型是一个假设模型，所有的噪声源都被假设为一个简单的高斯噪声源，则整体噪声被建模为所有假设高斯噪声源的叠加。此模型没有考虑系统电源分配网络的影响，而且对于NoC中的非高斯分布的噪声影响无法进行模拟。
发明内容
本发明的目的是提供一种噪声模型及其仿真方法，充分考虑各种噪声源的影响，不仅实现了服从高斯分布的噪声源模拟，还实现了不服从高斯分布的噪声源的模拟。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种三维NoC噪声仿真系统，其特征在于，包括：(1)系统电源封装等效模型，用于模拟系统级电源分配网络中噪声的影响；(2)电源分配网络等效模型，用于模拟片内电源分配网络中噪声的影响，电源分配网络等效模型与电源封装等效模型相连；(3)信号线的π型等效模型，用于模拟导线的分布中噪声的影响；(4)三维串扰等效模型，用于模拟相邻层之间的噪声影响；(5)信号线的π型等效模型和三维串扰等效模型共同组成设置于电源分配网络等效模型中的内部电路等效模型。
所述系统电源封装等效模型包括：
理想电压源VDD一端串联电阻R1、电感L1，另一端串联电阻R8、电感L8，实现对电压调整器模拟；
与电感L1输出端相连的理想电容C1、与电感L8输出端相连的电阻R2以及连接理想电容C1和电阻R2的电感L2，实现对电压调整器附近的旁路电容模拟；
电阻R3串联电感L3，电阻R9串联电感L9，共同模拟印刷电路板上的寄生参数，其中，电阻R3输入端与电感L1输出端相连，电阻R9输入端与电感L8输出端相连；
与电感L3输出端相连的理想电容C2、与电感L9输出端相连的电阻R4以及连接理想电容C2和电阻R4的电感L4，实现对模拟管壳附近的陶瓷电容模拟；
电阻R5串联电感L5，电阻R10串联电感L10，共同模拟管壳及其引脚的寄生参数，其中，电阻R5输入端与电感L3输出端相连，电阻R10输入端与电感L9输出端相连；
与电感L5输出端相连的理想电容C3、与电感L10输出端相连的电阻R6以及连接理想电容C3和电阻R6的电感L6，实现对管壳内置电容模拟；
电阻R7串联电感L7，电阻R11串联电感L11，共同模拟芯片与管脚的连接线上的寄生参数，其中，电阻R7输入端与电感L5输出端相连，电阻R11输入端与电感L10输出端相连，而电感L7、电感L11的输出端分别与电源分配网络等效模型的输入端、输出端相连。
所述电源分配网络等效模型包括一个上接系统电源封装等效模型中电感L7输出端的电阻R_p和一个下接系统电源封装等效模型中电感L11输出端的电阻R_n，内部电路等效模型设置于电阻R_p与电阻R_n之间。
所述内部电路等效模型包括至少一个信号线的π型等效模型和一个三维串扰等效模型。
所述信号线的π型等效模型由两个电容桥C接一个电阻R组成。
所述三维串扰等效模型包括平行线之间的串扰等效模型和垂直线之间的串扰等效模型。
所述平行线之间的串扰等效模型由跨结在两个π模型之间的两个等效电容CR组成。
所述垂直线之间的串扰等效模型由跨结在两个π模型之间的一个等效电容CR组成。
所述三维NoC噪声仿真系统中采用一个反相器驱动一根导线，后接一个反相器的方式来模拟驱动关系。
所述三维NoC噪声仿真系统的仿真方法包括以下步骤：(1)获取系统电源封装等效模型、电源分配网络等效模型、信号线的π型等效模型和三维串扰模型的寄生参数和驱动能力参数；(2)按照三维NoC噪声仿真系统搭建仿真电路；(3)设定外部环境的约束条件，包括：a.设定温度变化范围，并统计其分布情况，b.设定电源电压变化范围，并统计其分布情况；(4)运行仿真工具HSPICE或者smarspice进行仿真；
(5)根据仿真获取的某一时刻的采样结果，来得到整个噪声的等效分布情况。
下面对本发明中四个等效模型分别进行详细描述。
一.电源封装等效模型
如图1所示，在一个集成系统中，系统电源分配网络主要由电压调整器、电压调整器附近的旁路电容、印刷电路板、芯片管壳附近的旁路电容、管壳和芯片组成。电压调整器的作用是试图产生一个恒定的与负载电流无关的输出电源电压。它被建模为一个理想电压源，它的输出引脚具有很小的电阻和引脚电感。电压调整器附近的旁路电容是一个大体电容(通常是电解电容或钽电容)。它被建模为一个理想电容，并用有效串联电阻和有效串联电感来表示外部电容器封装的寄生参数。印刷电路板上的电源和地平面将电流供应输送道管壳，会带来电阻和电感。它被模拟为一个有效串联电阻和有效串联电感。而且通常情况下会在管壳附近放置几个小陶瓷电容。它被建模为一个理想电容，并用有效串联电阻和有效串联电感来表示外部电容器封装的寄生参数。管壳以及其引脚也会带来电阻和电感，采用一个理想电容串联一个有效串联电阻和一个有效串联电感来等效。高频封装通常会在管壳内置一些解耦电容，同样采用一个理想电容串联一个有效串联电阻和一个有效串联电感来等效。芯片通过突出焊点或键合线和管壳相连也会带来额外的电阻和电感。它被建模为一个有效串联电阻和有效串联电感。通过等效得到的电路可以很好的模拟现有的封装技术的影响。
二.电源分配网络等效模型
片内电源分配网络的用途是提供晶体管执行芯片标准逻辑功能所需的电压与电流。电源分配网络的电压降作为一种噪声源严重影响着电路的性能。在三维NoC噪声仿真系统中主要考虑电源分配网络对噪声的影响，这种影响主要体现在电源分配网络对于标准单元有效参考电压的影响。在模型中首先把NoC电源分配网络等效为一个二端口网络，再利用戴维宁-诺顿等效定理，对于单模块的电源分配网络的进行了等效电压电流等效处理，在三维NoC噪声仿真系统中把等效为一个上接电源VDD的电阻R_p和一个下接地GND地电阻R_n，如图2所示。此外在模型中考虑到了标准单元自身的工艺偏差对于模型噪声的影响，这R_p和R_n两个电阻还可以起到模拟标准单元干扰源噪声的影响的作用。
三.信号线的π型等效电路
导线的分布式电阻和电容可以近似处理为多个集总器件。三种近似模型分别为L模型、π模型和T模型。三维NoC噪声模型中为了很好考虑串扰的影响，在设计中选用如图3所示的π模型进行建模，即等效为两个电容C桥接一个电阻R的形式。另外考虑到精度，当对长线进行建模时，建议采用3段或者4段π模型进行建模。
四.三维串扰等效模型
随着工艺的进步和线宽的缩小，相邻层的串扰影响变得越来越严重。在模拟串扰影响时采用三维的模型，充分考虑上中下三层干扰方导线对于受扰方导线的影响，在模型中考虑上层三条金属线的影响，在中间层(即所在层)考虑相邻两条线的串扰影响，和最下层三条金属线的影响。对于平行线之间的串扰，如图4所示，模型中使用跨结在两个π模型之间的两个等效电容CR来进行模拟，且两个等效电容中一个电容CR设置于两个π模型中的两个电容C的输入端之间，而等效电容中另一个电容CR则设置于两个π模型中的另外两个电容C的输出端之间。对于垂直线之间的的串扰，如图5所示，模型中使用多段π模型进行等效导线的等效，模型中使用跨结在两条线上的π模型之间的一个等效电容CR来进行模拟。对于45度走线的模型可以根据等效作用等效为平行线作用和垂直线作用。
本发明不仅提出了一种三维的NoC噪声模型，还提出了一种新的仿真方法——采用蒙特卡罗来模拟NoC的噪声仿真方法，其步骤包括：
(1)获得寄生参数和驱动能力参数；
(2)按照三维NoC噪声仿真系统搭建仿真电路；
(3)设定各个约束条件
设定温度变化范围，统计分布情况，
电源电压变化范围，统计分布情况；
施加的激励要求：在仿真中可以根据排列组合的方式，分别对I11、I15、I21、I23、I25施加不同的输入信号进行噪声的统计分析。NoC的通道在一个异步的系统，同样干扰也是一种随机分布的异步干扰。对于输入干扰信号的开始干扰时间，用一个平均分布的开始时刻等效。
(4)运行仿真工具HSPICE或者smarspice进行仿真；
(5)由于噪声无论上时间域还是在幅度域都是一个随机分布的过程，通过在某一时刻的采样结果得到噪声叠加影响的信号结果。通过这些采样结果可以根据统计分布得到整个噪声的等效分布情况，用于指导NoC信道模型的评估。
本发明通过建立三维NoC噪声仿真系统，以及设计的NoC噪声模型仿真方法，不仅实现了片上网络中噪声影响的全方位模拟，解决了现有技术中非高斯分布的噪声影响无法模拟的问题，还提高了仿真准确度。本发明属于一种噪声模拟仿真技术，主要应用于片上网络中。
附图说明
图1为本发明中电源封装等效模型的示意图。
图2为本发明中电源分配网络等效模型的示意图。
图3为本发明中信号线的π型等效电路的示意图。
图4为本发明中平行线之间的串扰等效模型的示意图。
图5为本发明中垂直线之间的串扰等效模型的示意图
图6为本发明-实施例1的示意图。
图7为本发明-实施例2的示意图。
具体实施方式
下面通过举例来对本发明作进一步说明。
根据各层金属的走线不同，三维NoC噪声仿真系统分为两种：上中下三层金属线为平行线的三维NoC噪声仿真系统和上下层导线与中间层导线垂直的三维NoC噪声仿真系统。
实施例1
实施例1以上中下三层金属线为平行线进行说明。
如如图1、图2、图3、图4和图6所示，模型中INV_*(其中*为数字)为反相器模型，它有4个引脚：电源VDD、地GND、输入引脚和输出引脚。在模型中都采用一个反相器驱动一个导线，后接一个反相器的方式的来模拟驱动关系。在图6中受干扰线是INV_23驱动的信号线，干扰线为INV_11、INV_13、INV_15、INV_21、INV_25、INV_31、INV_33、INV_35驱动的信号线。模型中使用跨结在两个π模型之间的两个等效电容来进行模拟串扰影响。
由于系统电源分配网络位于最外层，主要作用是为系统提供电源，因此电源封装等效模型也应位于最外层，并和上层金属线的等效模型相连，上中下三层金属线的等效模型依次串联。电源分配网络等效模型、信号线的π型等效模型和三维串扰模型共同组成三层金属线的等效模型。
仿真步骤如下：
(1)获得寄生参数和驱动能力参数
电源封装等效模型参数需要在封装厂商处获得。π型等效电路的参数需要根据工艺和金属的层数来计算或者提取获得决定。串扰跨接电容和实际线宽和线间距有关。反相器的驱动能力也是仿真模型中考虑的问题。
(2)按照三维NoC噪声仿真系统搭建仿真电路
(3)设定各个约束条件
设定温度变化范围，统计分布情况，
电源电压变化范围，统计分布情况。
施加的激励要求：在仿真中可以根据排列组合的方式，分别对INV_11、INV_15、INV_21、INV_23、INV_25施加不同的输入信号进行噪声的统计分析。NoC的通道在一个异步的系统，同样干扰也是一种随机分布的异步干扰。对于输入干扰信号的开始干扰时间，用一个平均分布的开始时刻等效。
(4)运行仿真工具HSPICE或者smarspice进行仿真
(5)由于噪声无论上时间域还是在幅度域都是一个随机分布的过程，通过在某一时刻的采样结果得到噪声叠加影响的信号结果。通过这些采样结果可以根据统计分布得到整个噪声的等效分布情况，用于指导NoC信道模型的评估。
实施例2
实施例2以上下两层导线与中间层导线相垂直为例进行说明。
如图1、图2、图3、图5和图7所示，模型中INV_*(其中*为数字)为反相器模型，它有4个引脚：电源VDD、地GND、输入引脚和输出引脚。模型中全部采用一个反相器驱动一个导线，后接一个反相器的方式的来模拟驱动关系，上层的导线用2段π模型进行建模，中层的导线用1段π模型进行建模，下层的导线用2段π模型进行建模。在图7中受干扰线是INV_23驱动的信号线，干扰线为INV_11、INV_13、INV_21、INV_25、INV_31、INV_33驱动的信号线。模型中使用跨结在两个π模型之间的两个等效电容来进行模拟串扰影响。
由于系统电源分配网络位于最外层，主要作用是为系统提供电源，因此电源封装等效模型也应位于最外层，并和上层金属线的等效模型相连，上中下三层金属线的等效模型依次并联。电源分配网络等效模型、信号线的π型等效模型和三维串扰模型共同组成三层金属线的等效模型。
仿真步骤与实施例1相同。
按照上述两个实施例便能够很好地实现本发明。
Claims (9)
1.一种三维NoC噪声仿真系统，包括
系统电源封装等效模型，用于模拟系统级电源分配网络中噪声的影响；
电源分配网络等效模型，用于模拟片内电源分配网络中噪声的影响，电源分配网络等效模型与电源封装等效模型相连；
信号线的π型等效模型，用于模拟导线的分布中噪声的影响；
三维串扰等效模型，用于模拟相邻层之间的噪声影响；
信号线的π型等效模型和三维串扰等效模型共同组成设置于电源分配网络等效模型中的内部电路等效模型；
其特征在于，所述系统电源封装等效模型包括：
理想电压源VDD一端串联电阻R1、电感L1，另一端串联电阻R8、电感L8，实现对电压调整器模拟；
与电感L1输出端相连的理想电容C1、与电感L8输出端相连的电阻R2以及连接理想电容C1和电阻R2的电感L2，实现对电压调整器附近的旁路电容模拟；
电阻R3串联电感L3，电阻R9串联电感L9，共同模拟印刷电路板上的寄生参数，其中，电阻R3输入端与电感L1输出端相连，电阻R9输入端与电感L8输出端相连；
与电感L3输出端相连的理想电容C2、与电感L9输出端相连的电阻R4以及连接理想电容C2和电阻R4的电感L4，实现对模拟管壳附近的陶瓷电容模拟；
电阻R5串联电感L5，电阻R10串联电感L10，共同模拟管壳及其引脚的寄生参数，其中，电阻R5输入端与电感L3输出端相连，电阻R10输入端与电感L9输出端相连；
与电感L5输出端相连的理想电容C3、与电感L10输出端相连的电阻R6以及连接理想电容C3和电阻R6的电感L6，实现对管壳内置电容模拟；
电阻R7串联电感L7，电阻R11串联电感L11，共同模拟芯片与管脚的连接线上的寄生参数，其中，电阻R7输入端与电感L5输出端相连，电阻R11输入端与电感L10输出端相连，而电感L7、电感L11的输出端分别与电源分配网络等效模型的输入端、输出端相连。
2.根据权利要求1所述的三维NoC噪声仿真系统，其特征在于，所述电源分配网络等效模型包括一个上接系统电源封装等效模型中电感L7输出端的电阻R_p和一个下接系统电源封装等效模型中电感L11输出端的电阻R_n，内部电路等效模型设置于电阻R_p与电阻R_n之间。
3.根据权利要求2所述的三维NoC噪声仿真系统，其特征在于，所述内部电路等效模型包括至少一个信号线的π型等效模型和一个三维串扰等效模型。
4.根据权利要求1或3所述的三维NoC噪声仿真系统，其特征在于，所述信号线的π型等效模型由两个电容C桥接一个电阻R组成。
5.根据权利要求1或3所述的三维NoC噪声仿真系统，其特征在于，所述三维串扰等效模型包括平行线之间的串扰等效模型和垂直线之间的串扰等效模型。
6.根据权利要求5所述的三维NoC噪声仿真系统，其特征在于，所述平行线之间的串扰等效模型由跨结在两个π模型之间的两个等效电容CR组成。
7.根据权利要求5所述的三维NoC噪声仿真系统，其特征在于，所述垂直线之间的串扰等效模型由跨结在两个π模型之间的一个等效电容CR组成。
8.根据权利要求1所述的三维NoC噪声仿真系统，其特征在于，所述三维NoC噪声仿真系统中采用一个反相器驱动一根导线，后接一个反相器的方式来模拟驱动关系。
9.一种三维NoC噪声仿真系统的仿真方法，其特征在于，所述三维NoC噪声仿真系统的仿真方法包括以下步骤：
(1)获取系统电源封装等效模型、电源分配网络等效模型、信号线的π型等效模型和三维串扰模型的寄生参数和驱动能力参数；
(2)按照三维NoC噪声仿真系统搭建仿真电路；
(3)设定外部环境的约束条件，包括
设定温度变化范围，并统计其分布情况，
设定电源电压变化范围，并统计其分布情况；
(4)运行仿真工具HSPICE或者smarspice进行仿真；
(5)根据仿真获取的某一时刻的采样结果，来得到整个噪声的等效分布情况。
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Effective date of registration: 20111231 Address after: 611731 research building, University of Electronic Science and technology, No. 2006 West Avenue, hi tech West District, Sichuan, Chengdu Patentee after: Chengdu Electronic & Information Technology Engineering Co., Ltd. Address before: 610054 No. two, Jianshe North Road, Chengdu, Sichuan, four Patentee before: University of Electronic Science and Technology of China |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100602 Termination date: 20151010 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |