JP3983480B2 - 電子回路装置及びその設計方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は,半導体集積回路(LSI)、パッケージ内に実装される回路、印刷配線基板上に実装された電子回路装置およびシステムにおけるクロストークの低減に係わるものであり,特に配線により論理回路の入出力が接続される構成を有する汎用プロセッサ,信号処理プロセッサ,ASIC、ゲートアレイ、FPGA、画像処理プロセッサ、半導体メモリ、システムモジュール、メモリモジュール、コンピュータシステム、携帯機器システム等の電子論理回路装置への応用が可能なものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より,論理回路を実現する際には,セルやブロックと呼ばれる一定の論理機能を持った大小の回路を半導体集積回路チップ上またはパッケージ内または印刷基板上に配置後、各セルないし回路ブロックの入出力端子を金属配線を用いて結線する方法が用いられる。設計の対象となる半導体集積回路チップ(所謂、ASIC、ゲートアレー、FPGAなど)、パッケージモジュール、基板上システムをより小さい面積で実現できれば経済的に有利となるため、上記のセルないしブロックや配線の集積密度または実装密度をできる限り大きくすることが望ましい。
【0003】
このため半導体集積回路においては加工技術の微細化を進め、また実装技術においてはパッケージ内実装や基板実装の高密度化を進めてきた。しかしながら、小さい領域に多数の素子や配線を格納しようとすることにより、様々な問題が生じてくる。その一つの問題としてクロストークの問題がある。
【0004】
クロストークとは、複数の配線を物理的に近い位置に配置した際に配線同士の間で生じてしまう信号の干渉である。一般に集積回路やシステムは仕様により与えられる目標周波数で動作することができるように、回路が処理すべき機能は一定の遅延時間内にその処理が終了するように設計される。その際に、上記クロストークを考慮せずに設計を行うと、信号干渉の影響から生じる遅延時間の変化を見落としてしまうために、半導体集積回路チップやシステムが目標周波数で動作しなくなるという状況が起こる。
【0005】
半導体集積回路チップやシステムが目標の周波数で動作しなければ、再度設計のやり直しが必要となり、これは経済的、時間的に大きな損失となる。このような事態を避けるために、クロストークによる遅延時間の劣化を精度良く解析した上で、クロストークによる遅延時間劣化の問題を回避または低減することが必要となる。
【0006】
クロストークによる遅延時間劣化の問題で困難なことは、信号の到達時刻によりその影響が変化することである。これは本発明者他によってProceedings of IEEE International ASIC/SOC Conference 1999、p9−p13 に記載された「Crosstalk Delay Analysis using Relatvie Window Method」(以下、参考文献1と呼ぶ)に示されている。
【0007】
即ち、図1に示すように遅延時間の解析を行なおうとしている対象の配線(以下、着目配線またはビクティムと呼ぶ)における信号到達時刻(以下、VSAT:victim signal arrival timeとする)とそれに干渉を与える配線(以下、隣接配線またはアグレッサと呼ぶ)における信号到達時刻(以下、ASAT:aggressor signal arrival timeと呼ぶ)とのタイミングにより遅延時間が様々に変化(劣化)してしまうことである(以下、この変化値を遅延時間劣化値と呼ぶ)。なお、図1はビクティム、アグレッサの信号到達時刻の組み合わせに依存したディレイ劣化の例を説明するためのものであり、左側は回路構成図であり、右側はその回路に対応したディレイ劣化特性表を示している。
【0008】
参考文献1では、これを取り扱うのに、VSATを基準としてASATを相対的に計った相対信号到達時刻(以下、RSAT:relative signal arrival timeとする)を用いている。ここでは、相対信号到達時刻 (RSAT) による遅延劣化値の変化を示す図2のように相対信号到達時刻を横軸とした遅延時間劣化値のグラフもしくはテーブルを、あらかじめビクティムとアグレッサを駆動するドライバの組み合わせごとに用意しておき、実際に生じたケースごとにこのグラフもしくはテーブルを引いて、遅延時間の劣化値を計算するというものである。
【0009】
さらにこの問題を困難にしていることに、VSATとASAT自体が入力パターンに依存して変化してしまう点がある。図3はこれを示したものであり、左側は回路図の一例であり、右側はその回路に対応して入力パターン(信号伝達経路)に依存した信号到達時刻の変化を測定した特性表である。例えばある入力パターンの変化では、信号がin1からn1を経由してn2に伝達し、この場合のn2点での信号到達時刻は0.40nsである。ところが別の入力パターンの変化では信号がin3からn2に伝達し、この場合のn2点での信号到達時刻は0.10nsとなり、先の値から変化してしまう。このような理由からRSATを一意に決定できないため、図2の劣化テーブルを単純には適用できなくなってしまう。
【0010】
参考文献1ではこの問題に対して、相対ウィンドウと呼ばれる概念を利用して対処している。図4にその方法を示す。VSATとASATは入力パターンにより変化するため、ある1点の時刻としては得られない。従って、まずある幅を持ったウィンドウとしてVSATとASATを計算する(図4a:VSAT及びASATウインドウ計算)。次に、RSATは一意には決定できないためその替わりに、RSATを幅を持ったウィンドウ(以下、相対ウィンドウと呼ぶ)として計算する(図4b:相対ウインドウ計算)。ここで、相対ウィンドウとは、RSATが最小になる時から最大になる時までの範囲である。RSATが最小になるのは、ASATが最小でVSATが最大になるときであり、一方RSATが最大になるのはASATが最大でVSATが最小になるときである。最後に相対ウィンドウと、予め用意されている劣化テーブルとを用いて、相対ウィンドウのレンジ内でのワースト値を得ることにより、定量化された遅延時間劣化値を求めることができる(図4c:ディレイ劣化値の取得)。
【0011】
また、隣接配線が複数存在する場合のより詳細な解析方法としては、同じく本発明者他が発表したProceedings of IEEE Custom Integrated Circuits Conference 2000 p495-498 , Multi-aggressor Relative Window Method(以下、参考文献2と呼ぶ)がある。さて、クロストークによる遅延時間劣化を回避、低減するためには上記のような信号到達時刻の影響をより正確に計算・評価した上でこれを実現する必要がある。引用文献1では、ある着目配線を駆動するゲート出力部における信号到達時刻が広い幅を持っている場合に、信号が早く到着するパスに対してディレイゲートを挿入してパスごとの信号到達時刻を均一化し、着目配線における信号到達時刻を狭くして隣接配線の信号到達時刻から離すことでクロストークを低減する例、また、隣りあうトラック上にある2本の配線の信号到達時刻が近い場合に、そのうち一方の配線を別のトラックにある配線と入れ替えて信号到達時刻を離すことでクロストークを低減する例が示されている。また、特開平11−40677(以下、参考文献3と呼ぶ)には信号到達時刻のタイミングオーバーラップがある場合にディレイゲートを挿入して、クロストークエラーを解消する方法に関する記述がある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように空間的に狭い範囲に回路が実現されると、配線が互いに近い位置に配置されるため、クロストークにより遅延時間が劣化するという問題が生じる。クロストークによる遅延時間劣化は常に生じるわけではなく、着目する配線とそれに隣接する配線が時間的に近いタイミングで変化する時に生じる。しかしながら、入力パターンの変化に依存して着目配線、隣接配線におけるそれぞれの信号到達時刻が動的に変化するため、これを踏まえた上でクロストーク起因の遅延時間劣化を精度よく解析し、問題が生じる場合にのみこれを対策することが望ましい。
【0013】
さて、通常LSIの設計は論理合成、配置、配線といったステップに分けて考えることができる。すなわち設計者は、まず、設計用言語で記述された論理回路を所謂論理合成ツールを用いて、どのようなゲートをどのように論理的に接続するかといった情報(所謂ネットリスト)を生成する。次に、そこで使用されたゲートの物理的な位置を決定(配置)する。最後に、配置されたゲート間の接続、すなわち配線を行う。ここで、クロストークによる遅延時間劣化の問題を解決するために、参考文献1や参考文献3で示されている方法としてディレイゲートを挿入する例が示されている。このようにディレイゲートを挿入するということは、回路で使用される論理ゲートに変化が生じるということを意味する。従って、上記3つのステップのうち論理合成ステップに変化が生じたこととなる。従って、これに伴い、それ以降の配置ステップ、配線ステップを再度行う必要が生じる。このような設計のやり直しはLSIの設計作業(期間ないし工数)を増大させるために大きな問題となる。
【0014】
上記をまとめると、入力パターンの変化に依存して着目配線、隣接配線におけるそれぞれの信号到達時刻が動的に変化することを踏まえた上でクロストーク起因の遅延時間劣化を低減する場合に、設計のやり直しをより少ない手間で実現することが課題となる。
【0015】
さらに、参考文献3で示されている方法に関しては、信号到達時刻にタイミングオーバーラップがある場合に対するクロストーク低減手法となっているため、タイミングオーバーラップがない場合(図2における相対信号到達時刻が0以外の場合)に生じるクロストーク起因の遅延時間劣化を低減することはできないという課題もある。
【0016】
本発明の目的は,クロストークを低減した電子回路装置及びその設計方法を提供することである。
本発明の他の目的は,入力信号パターンに依存して着目配線および隣接配線のそれぞれの信号到達時刻が動的に変化するような場合であっても、クロストークによる遅延時間劣化の小さい、高性能な集積回路や印刷基板上での電子回路システムの設計が効率的に実現できる手法を提供することである。
【0017】
本発明の更に他の目的は、入力信号パターンに依存して着目配線および隣接配線のそれぞれの信号到達時刻が動的に変化するような場合に、着目配線と隣接配線間のクロストークに起因した遅延時間劣化の低減を設計作業の増大を小さくして実行する電子論理回路装置の設計方法を提供することである。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入力パターンの変化に依存して着目配線、隣接配線におけるそれぞれの信号到達時刻が動的に変化することを踏まえた上でクロストーク起因の遅延時間劣化を低減する場合に、設計作業を増大させることなくこれを実現するための方法を与えるものである。このために、本発明は、互いに隣接する配線(ビクティム及びアグレッサ)における相対信号到達時刻の範囲(参考文献1の相対ウィンドウ)を計算した後、それらの位置関係に応じて遅延劣化量を計算し、その劣化量が設計制約を満足できずに問題となる場合にこれを低減する。
【0019】
本発明に共通するクロストーク低減のしくみの原理は図5〜図7に示されているような方法に基づいている。図5〜図7は、相対信号到達時刻RSATを横軸とした遅延時間劣化値のグラフでどのようにして劣化が低減されるかを示したものである。
【0020】
まず、図5では、対策前(表の上段)は、相対ウィンドウが遅延時間劣化カーブにおいてその値が0でない部分に掛かっており、劣化が生じている(図中のDD)。これに対して、ある種の手段を用いてアグレッサの信号到達時刻ウィンドウを遅らせて対策することにより(表の下段)、相対ウィンドウが遅延時間劣化カーブにおいてその値が0でない部分に掛からないようになるため、遅延時間劣化値が0になる。
【0021】
次に図6では、対策前(表の上段)は、やはり相対ウィンドウが遅延時間劣化カーブにおいてその値が0でない部分に掛かっており、劣化が生じている(図中のDD)。これに対してある種の手段を用いて遅延時間劣化カーブを縮小すれば(表の下段)、相対ウィンドウが遅延時間劣化カーブにおいてその値が0でない部分に掛からないようになるため、遅延時間劣化値が0になる。
【0022】
さらに図7では、対策前(表の上段)は、やはり相対ウィンドウが遅延時間劣化カーブにおいてその値が0でない部分に掛かっており、劣化が生じている(図中のDD)。これに対してある種の手段を用いてアグレッサを対策前のものと異なるものに取り替える(vと隣接するものをa1からa2に取り替える)ことができれば(表の下段)、相対ウィンドウが変化し、遅延時間劣化カーブにおいてその値が0でない部分に掛からないようになるため、遅延時間劣化値が0になる。
なお、上記図5〜図7で示した例では、対策により遅延時間劣化値が完全に0になる場合を示したが、遅延時間劣化値が完全に0にならなくても、低減した分で設計制約を満足する場合はそれでよいことはいうまでもない。
【0023】
さて、上記のような遅延時間劣化の低減を、設計作業を増大させることなく行うために、しきい電圧値(所謂、Vth)が異なるトランジスタによる論理ゲートを用いることによりこれを実現させることが可能となる。
【0024】
これを示したのが図8である。まず、図8(a)においてA点からB点に至る経路、及びC点からD点に至る経路に対し、遅延時間に関するある設計制約が与えられているとする。今、図中の配線801と802が隣接しており、この部分でクロストークが生じている。クロストークがないものとして遅延時間を計算した場合にA点からB点に至る経路では設計制約が守られていても、クロストークによる遅延時間の劣化があるためにこの部分で設計制約違反が起こっているものとする。C点からD点に至る経路に関しては遅延時間の設計制約に余裕があるものとする。図8(b)、図8(c)は図8(a)の回路がチップ内に物理的に配置されて結線されている状況を示したものであり、それぞれチップ上面から見たLSIチップ及びチップ内に配置されたセル列の概略平面図である。即ち,図8(b)はチップイメージを、図8(c)はその中のセル列を示したものである。図8(a)中のクロストークを起こしている配線801及び802は、図8(b)では803及び804に、図8(c)では805及び806に対応している。このような場合に、しきい値(所謂、Vth)が異なるゲートを用いて図5で示した原理に従い、クロストークの低減を図ることを試みる。配線805の信号到達時刻のウィンドウが図5におけるa(アグレッサ)に対応し、配線806の信号到達時刻のウィンドウが図5におけるv(ビクテイム)に対応するものとする。今、論理ゲートg4は図5におけるアグレッサaを駆動するゲートであるが、これを最初に用いていたしきい値より高いしきい値のトランジスタで構成する。通常、しきい値の高いトランジスタで構成された論理ゲートは、しきい値が低いトランジスタで構成された論理ゲートよりも遅延時間が大きくなる。従って、アグレッサaでの信号到達時刻が遅れることとなる。これによって図5で示したように相対ウィンドウと遅延劣化量との関係が変化し、問題が解決されるのがわかる。しきい値の異なるトランジスタは、マスクを用いてイオン注入量を変化させたり、この部分の半導体基板電位を変化させることで実現することができる。いずれの場合も、論理合成、配置、配線というステップを経て実現された設計済みのデータに対してしきい値の変化のための処理を施せるため、論理合成、配置、配線というステップのやり直しを行う必要がない。このため、設計作業を増大させることなくクロストークの低減が実現可能となる。
【0025】
さらに本発明は、配線の容量やインダクタンスの縦方向と横方向への結合比が異なる配線を組み合わせて遅延時間劣化の低減を実現するものである。これを示したのが図9である。図9(a)は、図8(a)と同様の回路図であり、遅延時間に関する設計制約などの条件も同様であるとする。今、クロストークを起こしている配線901と902は、図8(c)と同様に図9(b)にセル列上に配置されている論理ゲートどうしを接続する配線903と904となっている。これらの配線部分を拡大したものが、図9(c)であり、配線903と904は配線905と906に対応している。図9(b)及び(c)はそれぞれチップ内に配置されたセル列及び配線トラックをチップ上面から見た概略平面図である。通常、設計ツールで配線を行う場合、ある一定の幅と間隔で設けた配線トラック上に配線を置くようにレイアウトされる。従って、配線905と配線906は図中で、隣合うトラックに同じ幅の配線として実現されている。ここで配線905の信号到達時刻のウィンドウが図6におけるvに対応し、配線906の信号到達時刻のウィンドウが図6におけるaに対応するものとする。ここで、配線の幅が異なる配線トラックを部分的に設けた場合に、クロストークによる遅延時間劣化を低減することが可能となる。これを図9(d)に示す。まず最初に配線を行った段階で図9(a)における配線901と902が、配線907と908のように隣接している同一幅の配線トラックに置かれたとする。この段階で相対ウィンドウを用いた遅延時間解析を行い、これらの配線がクロストークにより遅延時間劣化を起こすために設計制約違反となることがわかったとする。このような場合に配線901を、幅がより広い配線トラック上の配線909を(907の代わりに)使ってレイアウトすれば、クロストークを低減することが可能となる。なぜなら、ビクティムを幅が広い配線を用いて実現すれば、その配線自身の容量が大きく縦方向(即ち,積層された配線層では深さ方向)の容量の結合比率が大きくなり、隣接配線との横方向の容量の結合比率が小さくなるため、図6における遅延時間劣化カーブの縮小が可能となるためである。この場合にも、しきい値を変化させる場合と同様に論理ゲートの配置を変更する必要がないため設計作業を増大させずに済むこととなる。配線に関しては、変更が行われることになるが、これについても配線パターンの平面図である図10(a)から(b)への変更として実現される。従って、横方向の配線の配線トラックを変更することなく、図中の縦配線と横配線の接続ポイントを変更するといった局部的な変更で済む。このため他の配線への影響が小さく、やはり設計作業を増大させずに済むこととなる。
【0026】
さらに本発明は、信号到達時刻のウィンドウの特性を考慮した配置をあらかじめ行った後、配線を行うことで遅延時間劣化の低減を図るものである。これを示したのが図11である。論理合成、配置、配線という設計ステップにおいて、仮にビクティムとアグレッサの隣接関係を考慮せずに配置を行うと図11(a)のような状態になりうる。ここでは、信号到達時刻のウィンドウが広いネットや狭いネットが場所ごとに集中するような配置となっている。すなわち領域1101や領域1103ではウィンドウの広いネットが著しく多く、領域1102や領域1104ではウィンドウの狭いネットが著しく多くなっている。このような場合には、図10で示したような配線トラックの変更を用いてアグレッサを入れ替えるといったことが困難になる。すなわち、領域1101や領域1103を拡大した図11(b)左図のような配線トラックにおいて、図11(b)右図のようにウィンドウの広いネットばかりが集中しているために、どのように配線トラックの割り当てを行っても、相対ウィンドウと遅延劣化量の関係が好ましくない状況となる。このような事態を避けるための方法を図11(c)を用いて説明する。本図は、チップを上面から見て各領域の配線トラックとそこに置かれる配線ネットの信号到達時刻ウィンドウの狭広を示したものである。本発明の方法は、図11(c)の左図のような配置のかわりに、図11(c)の右図のような、ウィンドウの広いネットと狭いネットがほぼ均一となるように(すなわちウィンドウの広いネットとウィンドウの狭いネットのそれぞれが、各空間内である所定の比率以下となるように)配置するものである。これにより、図11(d)の右図のような好ましい状況となるように配線を割り当てることができるし、また仮に図11(d)の左図のような配線割り当てとなってnet2とnet3でクロストーク遅延時間劣化を起こしたとしても、その後net3とnet5を入れ替えることにより、図11(d)右図では図7に示したように相対ウィンドウと遅延劣化量の関係を改善することができるようになる。そして、この場合にも論理ゲートを変更したり、ディレイゲートを挿入するといったことが不要であるため、設計作業を著しく増大させることなくクロストークの低減が図れるようになる。
【0027】
さらに本発明は、信号到達時刻のウィンドウの特性により配線ネットが使用する配線トラックを振り分けることで遅延時間劣化の低減を図るものである。これを示したのが図12である。配線ネットの持つ信号到達時刻ウィンドウが図12(a)に示されている。ネット1の場合にはサイクルタイム(例えば,クロック信号の周期CT)内の前半に信号到達時刻ウィンドウが位置しており、ネット2の場合にはサイクルタイム内の後半に信号到達時刻ウィンドウが位置している。そこで、これらのネットを例えば二つのクラスとして、前半側のウィンドウとしてクラス1、後半側のウィンドウとしてクラス2とする。これらの配線ネットを図(b)のように実際に配線トラックに置く際に、あらかじめ奇数番目の配線トラックはクラス1の配線のみを置くものとし、偶数番目の配線トラックはクラス2の配線のみを置くものとしておく。このようにすれば、隣り合う配線トラック上(奇数番目と偶数番目の配線トラック上)に存在する配線ネットの相対ウィンドウと遅延劣化量の関係はより好ましいものとなる。すなわち、図7におけるvとa1のような状態ではなく、同図のvとa2のような状態となり、クロストークによる遅延時間劣化は小さくなる。この場合にも、合成ステップや配置ステップにはなんら影響を及ぼさず、配線ステップでの配線トラックの振り分けを局所的に考慮するのみでよいため、設計作業を増大させる必要がない。
【0028】
以上の説明から理解されるように本願では種々の発明が開示されているが、それらをまとめると次の通りとなる。即ち、本願の第1の発明は、着目配線とそれに隣接した配線とのそれぞれにおける信号到達時刻の範囲からその相対的な信号到達時刻が取りうる範囲である相対ウィンドウを計算後、予め求めた、上記相対的な信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化情報を用いて、上記着目配線と上記隣接配線の間のクロストーク起因の遅延時間劣化を計算し、上記クロストーク起因の遅延時間劣化により設計制約に違反が生じた場合に、上記相対ウィンドウを移動させる操作、または、上記信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化を小さくする操作により、上記遅延時間劣化を所定の値より小さくすることを特徴とする電子回路装置の設計方法にある。
【0029】
本願の第2の発明は、上記相対ウィンドウを移動させる操作、または、上記信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化を小さくする操作は、着目配線またはそれに隣接した隣接配線のそれぞれを駆動する論理ゲート乃至これより入力側にある論理ゲートの少なくとも一部の論理ゲートを、その他の論理ゲートを構成しているトランジスタのしきい値と異なるしきい値を有するトランジスタで構成することにより行うことを特徴とする設計方法にある。
【0030】
本願の第3の発明は、上記相対ウィンドウを移動させる操作、または、上記信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化を小さくする操作は、上記着目配線または上記隣接配線の少なくとも一方の配線を上下方向の配線層と横方向の配線層への容量またはインダクタンスの結合比が異なる配線トラックに置くことにより行うことを特徴とする電子回路装置の設計方法。
【0031】
本願の第4の発明は、内蔵された複数の電子回路ブロックを結合する複数の信号伝達経路からなる半導体チップまたは上記半導体チップが一つの回路基板上に搭載され複数の信号伝達経路によって電子回路が構成される電子回路装置を設計するに際し、回路を構成する着目配線とそれに隣接した配線とのそれぞれにおける信号到達時刻の範囲からその相対的な信号到達時刻が取りうる範囲である相対ウィンドウを計算後、予め求めた、上記相対的な信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化情報を用いて、上記着目配線と上記隣接配線の間のクロストーク起因の遅延時間劣化を計算し、上記半導体チップ内に予め分散配置されて設けられた遅延素子、または上記半導体チップ内の回路ブロックの周辺に予め集中配置されて設けられた遅延素子、または上記基板土の上記半導体チップ周辺に予め集中配置されて設けられた遅延素子を、上記着目配線または上記隣接配線を含む信号伝達経路上に挿入することにより上記クロストーク起因の遅延時間劣化により設計制約に違反が生じた場合に、上記相対ウィンドウを移動させる操作、または、上記信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化を小さくする操作により、上記遅延時間劣化を所定の値より小さくすることを特徴とする電子回路装置の設計方法。
【0032】
本願の第5の発明は、遅延時間劣化値が比較的小さい電子論理回路を構成する第1配線層と、上記第1配線層よりも遅延時間劣化値が比較的大きい電子論理回路を構成する第2配線層とが一つの基板上に積層されてなり、
上下方向の配線層と横方向の配線層への距離の比率をV/L比とすると、
上記第1配線層は、第1のV/L比を有する領域に配置され、
上記第2配線層は、第1のV/L比より高いV/L比を有する領域に配置されることを特微とする電子論理回路装置。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下,本発明の実施例について,図面に沿って説明する。
本発明による設計方式は、例えば図13に示されるような演算処理装置、記憶装置、マンマシンインターフェースを具備してなる自動設計システム(図13、1301)を用いて実現されうるものである。すなわち設計者は、ハードウェア設計言語やソフトウェア言語により記述された構造レベルまたは動作レベルのシステム記述を上記自動設計装置に入力する。これと同時にそのシステムに対して、遅延時間を含む設計制約を与える。また、論理ゲートの遅延時間を含むセルライブラリ群のライブラリ情報とともに、相対的な信号到達時刻で検索可能な遅延時間劣化に関するライブラリを与える。
【0037】
このような設計システムは、先に「発明が解決しようとする課題」で述べたような論理合成、配置、配線といったステップを経て、LSIやプリント基板上回路の物理情報を生成するが、いったんこれらの設計が終了した後に、上記本願の第1の発明に記載の設計方式として図14に示されるような一連の処理を行うことで、既におこなわれた合成、配置、配線のステップを繰り返すことなくクロストークによる制約違反を回避することが可能となる。
【0038】
即ち,図14に説明書きされているように、まず、典型的な条件でのクロストークによる遅延時間劣化値を計算し,これを着目ノードと隣接ノードの信号到達時刻の相対的な時間差で検索可能なデータ形式として保持する(1401)。次に,着目ノードでの信号到達時刻の範囲を計算する(1402)。次いで,着目ノードに属する配線と隣接する配線を抽出する(1403)。次いで,隣接ノードでの信号到達時刻の範囲を計算する(1404)。次に,隣接ノードの信号到達時刻を着目ノードの信号到達時刻を基準とした相対的な信号到達時刻に変換し,相対的な信号到達時刻が取りうる範囲を計算する(1405)。次いで,先に保持しておいた着目ノードと隣接ノードの信号到達時刻の相対的な時間差で検索可能なデータ形式を用いて前ステップで計算した信号到達時刻の範囲から遅延劣化量を計算する(1406)。そして、前ステップにより計算された遅延劣化量が、設計制約を不満足とする場合に,論理ゲートをしきい値の異なるトランジスタで実現することで、クロストークを低減する(1407)。
【0039】
同様に、論理合成、配置、配線といったステップを経て、LSIやプリント基板上回路の物理情報を生成し、いったんこれらの設計が終了した後に、上記本願の第3の発明に記載の設計方式として図15に示されるような一連の処理を行うことで、既におこなわれた合成、配置のステップを繰り返すことなくクロストークによる制約違反を回避することが可能となる。
【0040】
即ち,図15に説明書きされているように、まず、典型的な条件でのクロストークによる遅延時間劣化値を計算し,これを着目ノードと隣接ノードの信号到達時刻の相対的な時間差で検索可能なデータ形式として保持する(1501)。次に,着目ノードでの信号到達時刻の範囲を計算する(1502)。次いで,着目ノードに属する配線と隣接する配線を抽出する(1503)。次いで,隣接ノードでの信号到達時刻の範囲を計算する(1504)。次に,隣接ノードの信号到達時刻を着目ノードの信号到達時刻を基準とした相対的な信号到達時刻に変換し,相対的な信号到達時刻が取りうる範囲を計算する(1505)。次いで,先に保持しておいた着目ノードと隣接ノードの信号到達時刻の相対的な時間差で検索可能なデータ形式を用いて前ステップで計算した信号到達時刻の範囲から遅延劣化量を計算する(1506)。そして、前ステップにより計算された遅延劣化量が、設計制約を不満足とする場合に,着目配線または隣接配線の少なくとも一方の配線を、容量またはインダクタンスの縦横方向結合比の異なる配線トラックに置くことによりクロストークを低減する(1507)。
【0041】
さらに、このような設計システムは、論理合成、配置、配線といったステップのうち、上記本願の第4発明に記載の設計方式のように、論理ゲートの分散配置後配線を行う際に図16に示されるような一連の処理を行うことで、その後の配線ステップでクロストークを回避するような配線トラック割り当てを可能とする。この場合も配置と配線のステップの繰り返しを何度も行うことなくクロストーク遅延時間劣化を低減することが可能となる。
【0042】
即ち,図16に説明書きされているように、まず、典型的な条件でのクロストークによる遅延時間劣化値を計算し,これを着目ノードと隣接ノードの信号到達時刻の相対的な時間差で検索可能なデータ形式として保持する(1601)。次に,配線ネットでの信号到達時刻の範囲を計算する(1602)。次いで,配線ネットを上記信号到達時刻の範囲の広さでクラス分けする(1603)。次いで,論理ゲートを複数領域に分散配置する際に,各領域でのクラスごとの配線ネット数比率が所定基準値以下となるように配置する(1604)。次に,着目ノードでの信号到達時刻の範囲を計算する(1605)。次に,着目ノードに属する配線と隣接する配線を抽出する(1606)。次いで,隣接ノードでの信号到達時刻の範囲を計算する(1607)。次いで,隣接ノードの信号到達時刻を着目ノードの信号到達時刻を基準とした相対的な信号到達時刻に変換し,相対的な信号到達時刻が取りうる範囲を計算する(1608)。そして,先に保持しておいた着目ノードと隣接ノードの信号到達時刻の相対的な時間差で検索可能なデータ形式を用いて前ステップで計算した信号到達時刻の範囲から遅延劣化量を計算し、これを減少させるよう配線トラックの選択を行うことでクロストークを低減する(1609)。
【0043】
同様に、上記した本願の第5発明に記載の設計方式のように、配線ステップを行う際に図17に示されるような一連の処理を行うことで、クロストークを回避するような配線トラック割り当てを可能とする。この場合も合成、配置のステップを繰り返すことなくクロストーク遅延時間劣化を低減することが可能となる。
【0044】
即ち,図17に説明書きされているように、まず、典型的な条件でのクロストークによる遅延時間劣化値を計算し,これを着目ノードと隣接ノードの信号到達時刻の相対的な時間差で検索可能なデータ形式として保持する(1701)。次に,各配線ネットでの信号到達時刻の範囲を計算する(1702)。次に,配線ネットを上記信号到達時刻の範囲の早遅でクラス分けする(1703)。次いで,配線ネットの仮結線を行う(1704)。次に,着目ノードでの信号到達時刻の範囲を計算する(1705)。次いで,着目ノードに属する配線と隣接する配線を抽出する(1706)。次いで,隣接ノードでの信号到達時刻の範囲を計算する(1707)。次に,隣接ノードの信号到達時刻を着目ノードの信号到達時刻を基準とした相対的な信号到達時刻に変換し,相対的な信号到達時刻が取りうる範囲を計算する(1708)。そして,先に保持しておいた着目ノードと隣接ノードの信号到達時刻の相対的な時間差で検索可能なデータ形式を用いて前ステップで計算した信号到達時刻の範囲から遅延劣化量を計算し、制約違反の場合には,上記クラスに応じて予め決められた配線トラックを用いて、上記配線ネットを再度結線することで、クロストークを低減する(1709)。
なお、図14、図15、図16、図17において、1401、1501、1601、1701の部分は、予め先に実行しておいてクロストークライブラリのような形で保存しておいてもかまわないことは言うまでもない。
【0045】
図18は、上記した本願の第3発明を利用した別の実施形態を示している。即ち,図18は、奇数層の配線と偶数層の配線とが直交する方向に走っている状態を判りやすく示している配線要部の断面図である。そしてここでは、上下又は縦方向(即ち,配線の深さ方向)の配線層と横方向の配線層への容量又はインダクタンスの結合比(V/L)を変えるために、第i層の配線と第i−1層および第i+1層の配線への距離を変化させてある。すなわち、図18(a)に示すように、同一レベル層の配線間距離LL(例えば,均一な距離)に対して、異層間の絶縁膜の厚みを、LV1、LV2、LV3のように変化させてある。このようにすると、LV1/LL、LV2/LL、LV3/LLの順に縦方向結合比が小さくなり、上下方向の配線層と横方向の配線層への距離の比率が変化し、縦方向結合比(以下V/L比と呼ぶ)を変化させることが可能となる。そして相対的な信号到達時刻が取りうる範囲から計算される遅延時間劣化値が比較的大きいと算出される配線層部分は図18(b)における高V/L比の領域に設定し、遅延時間劣化値が中程度と予想される部分は中V/L比の領域に設定し、遅延時間劣化値が前記よりも比較的小さいと算出される部分は低V/L比の領域に設定するようにすればよい。このようなV/L比は層間の絶縁膜の膜厚で決定されるため、マクスの指定により実現させることが可能である。従って、やはり合成、配置、配線といったステップが終了した後に行えばよいため、設計のやり直しが生じないため設計作業を増大させずに済むこととなる。なお、図18(b)は半導体チップや基板の配線要部の上面図である。
【0046】
さらに、図19は上記した本願の第3発明を利用した別の実施形態を示している。先に述べた図18においては、上下方向の配線層と横方向の配線層への結合比(V/L比)を、チップ上面から見た場合の場所ごとに変化させたものであった(図18の(b)参照)が、このような変化は、チップを上面から見た場合に深さ方向に変化させることも可能である。これを複数配線層の断面図である図19(a)に示す。
【0047】
図19(a)では第i層の配線から第i−1層や第i+1層への配線の距離が、第i+2層の配線から第i+1層や第i+3層への配線の距離よりも小さくなるように設定されている。これにより、第i層の配線は第i+2層よりも高いV/L比を有することになる。従って、相対的な信号到達時刻が取りうる範囲から計算される遅延時間劣化値が比較的大きいと算出される配線層は第i層のような高V/L比の層に割り当てを行い、遅延時間劣化値が前記よりも比較的に小さいと算出される配線層は第i+2層のような低V/L比の層に割り当てを行えばよい。この場合は配線ステップに影響が及ぶが、やはり局所的な変更で済み、さらに合成ステップや配置ステップには影響が及ばないため設計作業の増大を防止できる。なお、この点については上記した本願の第8発明にも相当する。
【0048】
このことにより、例えば種々の配線部のRSATに対する遅延時間劣化値を算出して遅延時間劣化値の大きさで各配線や電子回路をクラス分けし、それに応じてクラス区分ごとに配線層のレベルを振り分けることが望ましい。即ち,遅延時間劣化値の比較的大きい配線は全て図19(a)の第i配線層に設けることによって相対的に横方向のクロストークを低減し、一方、遅延時間劣化値の比較的小さい配線は全て第i+2配線層に設けることが望ましい。即ち,図19(a)から判るように遅延時間劣化値の比較的大きい配線層(第i層)の上部又は下部に比較的小さい厚さの層間絶縁膜を介して第i−1層や第i+1層の配線層を配置し、一方遅延時間劣化値の比較的小さい配線層(第i+2層)の上部又は下部に比較的大きい厚さの層間絶縁膜を介して第i+1層や第i+3層の配線層を所定基板上に積層配置して電子回路装置を構成することが望ましい。
【0049】
遅延時間劣化値の大きさが異なる多数の配線が一つの共通レベルの配線層に混在して設けられている場合に比べ,この例のように遅延時間劣化値の大きさを所定の範囲でクラス分けして揃えそのクラスに応じて配線レベルを振り分けることによって過剰な余裕を持った層間絶縁膜の厚さが不要となるのでより電子回路装置の設計効率並びに信頼性を向上することが可能となる。
【0050】
また、このようなチップ平面に対して垂直方向にV/LV比を変化させる別の例としては、複数のチップが一つの基板上に搭載されて電子回路装置のシステムを構成するような場合も考えられる。図19(b)に示すように各チップごとにV/L比を変化させて、遅延時間劣化値が大きいと算出される部分は高V/L比のチップに割り当てを行い、遅延時間劣化値が小さいと算出される部分は低V/L比のチップに割り当てを行えばよい。
【0051】
図20はさらに、上記した本願の第3発明を利用した別の実施形態を示している。上下方向の配線層と横方向の配線層への結合比を変えるために、横方向の層間絶縁膜の誘電率εを場所ごとに変化させたものである。例えば,有機系ポリイミド膜のように誘電率εが低い材質は強度が弱いために全面的にこれを行うとチップにおける配線強度の信頼性が下がる場合がある。しかしながら、大部分の場所にSiO2膜を用いある所定の場所のみに有機系ポリイミド膜を用いるようにすれば、このようなチップ内配線の強度の信頼性の問題を生じることなく、高V/L比の配線と低V/L比の配線を実現することができる。これらの異なる結合比の配線を用いてクロストークによる遅延時間劣化を減少させることが可能となるのは、上記図18や図19と同様である。
【0052】
図21はさらに、上記した本願の第5発明を利用した別の実施形態を示している。図12では配線ネットを、信号到達時刻のウィンドウの早いか遅いかで二つのクラスに分類して配線トラックの振り分けを行ったが、このような分類を行うクラスを3つ設けた例が図21である。サイクルタイムに対する配線ネットのウィンドウの位置でクラス1、クラス2、クラス3と分類してある。そして、クラス1〜クラス3までの配線が配線トラック上で順に並ぶように配線ネットの割り当てを行ったものが図21(b)である。このようにすれば、配線ネットのウィンドウの早遅が互いに近いものどうしが集中することが防止できるため、配線トラック振り分けのより詳細な制御が可能となる。
【0053】
図22はさらに、本願の第5発明を利用した別の実施形態を示している。この例は、信号到達時刻のウィンドウの早いか遅いかでのクラス分類を異なるチップ上にある二つのバスに対して行った例である。例えば図22(a)のようにチップA上には、第1のバス系列が存在し、チップB上には第2のバス系列が存在する。各バス配線の進行方向から見た図が左側に、進行方向の横方向から2201の部分を見た図が右側に示されている。ここで二つのバス系列は異なるタイミングで動作するものとする。すなわち、これら各バスの動作タイミングは、例えば図22(b)に示されるような形で異なるタイミング(この場合は図12の例と同様にサイクルタイムの前半と後半のタイミング)で動作する。このような場合に図22(a)のままでは、同タイミングで動作する配線どうしが隣接しているために、クロストークによる遅延時間劣化が生じる。これを回避するために、図22(c)のように互いに交差するように各系列のバス配線を敷設するようにすれば、図12と同様にクラス1とクラス2の配線が隣接する形となるため、クロストークによる遅延時間劣化を防止できる。この場合でも、各チップ設計における合成、配置のステップには影響を与えないため、設計作業の増大を防止できる。
【0054】
図23は、本願の第7発明を利用した設計方式を示している。すなわち隣接配線側の信号伝達経路に遅延素子を挿入すれば、図5で示されるようにしてクロストーク起因の遅延時間劣化を抑制することができるが、このような対策を合成や配置のステップのやり直しを伴わない形で実現するために、予め遅延素子を半導体チップ内やプリント基板上に配置しておくものである。図23(a)は、遅延素子(2301)をチップ内に均等に予め配置しておくものである。一方図23(b)は、遅延素子(2302,2303)を各設計ブロック(またIP)の周辺に集中的に遅延素子を配置するものである。このようにする理由は、各ブロック間を接続する配線は長距離になることが多く、このような長距離配線では並走距離が長いクロストークとなり、より遅延時間劣化も大きくなる傾向が強いため、このような問題をより回避しやすくするためである。同様のことが図23(c)に示されるプリント基板上でシステムを構築する場合にもあてはまる。一般にプリント基板は半導体チップに比べて物理的な寸法が大きいため、素子間の結線も長距離となりやすい。このためやはり、並走距離が長いクロストークとなり、より遅延時間劣化も大きくなる傾向が強い。従って、このような問題を解決するために図23(c)のように遅延素子(2304,2305)を半導体チップ等の素子周辺に集中的に配置するものである。なお、このようなプリント基板上のシステムの場合の素子周辺とは、必ずしも素子の外部周辺でなくともよく、素子内部での周辺部分でもよく、例えばI/Oバッファ内に遅延機構も設けたものであってもよい。なお、図23(a)〜(c)はチップや基板の要部平面図を示している。
【0055】
図24は、上記した種々の本発明を用いた設計システムのディスプレイ画面を示したものである。図5〜図7で示されるようなクロストーク起因の遅延時間劣化を低減するプロセスを設計システムの画面上で確認することができるようになっている。設計者は、最初、図24において2402,2403の画面を見て、クロストーク起因の遅延時間劣化が起こっていることを確認する。次に、本発明で示したような幾つかの方法で対策を行った結果、2404,2405のように遅延時間劣化の問題が解消されたことを確認できるようになっている。このようなディスプレイ画面を設計システムが有することにより、設計者は迅速にクロストークによる問題を確認し、またその対策結果についても確認することができるようになる。
【0056】
【発明の効果】
本発明を用いることにより,入力パターンに依存して着目配線および隣接配線のそれぞれの信号到達時刻が動的に変化するような場合であっても、クロストークによる遅延時間劣化の小さい、高性能な集積回路や基板上システムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】二つの配線における信号到達時刻の組み合わせにより変化するディレイ劣化を説明するための回路及び特性図。
【図2】相対信号到達時刻(RSAT)による遅延劣化値の変化を説明する特性図。
【図3】入力パターン(信号伝達経路)に依存した信号到達時刻の変化を説明するための回路及び特性図。
【図4】入力パターン変化(信号伝達経路変化)に依存した信号到達時刻を考慮して遅延時間の劣化値を計算する方法(相対ウィンドウ法)を説明するための特性図。
【図5】本発明に係わるクロストーク低減方法の原理を説明するための特性図。
【図6】本発明に係わるクロストーク低減方法の他の原理を説明するための特性図。
【図7】本発明に係わるクロストーク低減方法の更に他の原理を説明するための特性図。
【図8】本発明の実施例を説明するための回路及び配線パターン図。
【図9】本発明の他の実施例を説明するための回路及び配線パターン図。
【図10】本発明の他の実施例を説明するための配線パターン図。
【図11】本発明の他の実施例を説明するための配線パターン及び遅延劣化特性図。
【図12】本発明の他の実施例を説明するための配線トラック及び遅延劣化特性図。
【図13】本発明の設計手法を説明するための設計システム図。
【図14】本発明の設計手法を説明するための設計フロー図。
【図15】本発明の他の設計手法を説明するための設計フロー図。
【図16】本発明の他の設計手法を説明するための設計フロー図。
【図17】本発明の他の設計手法を説明するための設計フロー図。
【図18】本発明の実施例を説明するための配線要部図。
【図19】本発明の他の実施例を説明するための配線要部図。
【図20】本発明の他の実施例を説明するための配線要部図。
【図21】本発明の他の実施例を説明するための遅延劣化特性及び配線要部図。
【図22】本発明の他の実施例を説明するための配線要部及び遅延劣化特性図。
【図23】本発明の他の実施例を説明するための配線要部図。
【図24】本発明の設計手法を実行する設計システムのディスプレイ画面の説明図。
【符号の説明】
801、901:着目配線(ビクテイム)、802、902:隣接配線(アグレッシブ)、1301,2401:ディスプレイ装置、2301,2302,2304,2304:遅延素子、VSAT:ビクティム信号到達時刻、ASAT:アグレッサ信号到達時刻、RSAT:VSATを基準としてASATを相対的に計った相対信号到達時刻。
Claims (5)
- 着目配線とそれに隣接した配線とのそれぞれにおける信号到達時刻の範囲からその相対的な信号到達時刻が取りうる範囲である相対ウィンドウを計算後、予め求めた、上記相対的な信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化情報を用いて、上記着目配線と上記隣接配線の間のクロストーク起因の遅延時間劣化を計算し、
上記クロストーク起因の遅延時間劣化により設計制約に違反が生じた場合に、上記相対ウィンドウを移動させる操作、または、上記信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化を小さくする操作により、上記遅延時間劣化を所定の値より小さくすることを特徴とする電子回路装置の設計方法。 - 上記相対ウィンドウを移動させる操作、または、上記信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化を小さくする操作は、上記着目配線または上記隣接した配線のそれぞれを駆動する論理ゲート乃至これより入力側にある論理ゲートの少なくとも一部の論理ゲートを、その他の論理ゲートを構成しているトランジスタのしきい値と異なるしきい値を有するトランジスタで構成することにより行うことを特徴とする請求項1記載の電子回路装置の設計方法。
- 上記相対ウィンドウを移動させる操作、または、上記信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化を小さくする操作は、上記着目配線または上記隣接配線の少なくとも一方の配線を上下方向の配線層と横方向の配線層への容量またはインダクタンスの結合比が異なる配線トラックに置くことにより行うことを特徴とする請求項1記載の電子回路装置の設計方法。
- 内蔵された複数の電子回路ブロックを結合する複数の信号伝達経路からなる半導体チップまたは上記半導体チップが一つの回路基板上に搭載され複数の信号伝達経路によって電子回路が構成される電子回路装置を設計するに際し、
回路を構成する着目配線とそれに隣接した配線とのそれぞれにおける信号到達時刻の範囲からその相対的な信号到達時刻が取りうる範囲である相対ウィンドウを計算後、予め求めた、上記相対的な信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化情報を用いて、上記着目配線と上記隣接配線の間のクロストーク起因の遅延時間劣化を計算し、
上記半導体チップ内に予め分散配置されて設けられた遅延素子、または上記半導体チップ内の回路ブロックの周辺に予め集中配置されて設けられた遅延素子、または上記基板土の上記半導体チップ周辺に予め集中配置されて設けられた遅延素子を、上記着目配線または上記隣接配線を含む信号伝達経路上に挿入することにより上記クロストーク起因の遅延時間劣化により設計制約に違反が生じた場合に、上記相対ウィンドウを移動させる操作、または、上記信号到達時刻に対するクロストーク起因の遅延時間劣化を小さくする操作により、上記遅延時間劣化を所定の値より小さくすることを特徴とする電子回路装置の設計方法。 - 遅延時間劣化値が比較的小さい電子論理回路を構成する第1配線層と、上記第1配線層よりも遅延時間劣化値が比較的大きい電子論理回路を構成する第2配線層とが一つの基板上に積層されてなり、
上下方向の配線層と横方向の配線層への距離の比率をV/L比とすると、
上記第1配線層は、第1のV/L比を有する領域に配置され、
上記第2配線層は、第1のV/L比より高いV/L比を有する領域に配置されることを特微とする電子論理回路装置。
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