1、TJICTJU.ASIC Center-Arnold Shi第二讲第二讲 导线和传输线模型导线和传输线模型天津大学电子科学与技术系 VLSI课件史再峰TJU.ASIC Center-Arnold Shi一、综述：现代集成电路工艺中的互连线一、综述：现代集成电路工艺中的互连线TJU.ASIC Center-Arnold ShiIntel Intel 工艺技术路线工艺技术路线TJU.ASIC Center-Arnold ShiIntel 0.25 Intel 0.25 微米工艺互连线微米工艺互连线TJU.ASIC Center-Arnold Shi互连线结构式示意图互连线结构式示意图TJU.ASI
2、C Center-Arnold Shi101001,00010,000100,000Length(u)No of nets(Log Scale)Pentium Pro(R)Pentium(R)IIPentium(MMX)Pentium(R)Pentium(R)II互连线的长度分布互连线的长度分布Local InterconnectGlobal InterconnectSource:IntelTJU.ASIC Center-Arnold Shi各材料连线延时的比较各材料连线延时的比较From MPR,2000TJU.ASIC Center-Arnold Shi线间距工艺参数对比线间距工艺参数对比
3、Intel P856.5Al,0.25m -0.33 M2 -0.33 M3 -0.12 M4 -1.11 M1 -0.05 M5 Scale:2,160 nm-0.49 M2 -0.49 M3 -0.17 M4 -1.00 M1 -0.08 M5 -0.07 M6 Intel P858Al,0.18m IBM CMOS-8SCU,0.18m -0.97 M1 -0.10 M6 -0.10 M7 -0.70 M2 -0.50 M3 -0.50 M4 -0.50 M5 From MPR,2000TJU.ASIC Center-Arnold Shi现代多层布线工艺现代多层布线工艺v 宽厚和间距大的
4、连线布置在高层 M5M5及以上采用较厚连线：全局连线、电源线v 密集和较薄的连线布置在低层 M1M1、M2M2、M4M4、（M5M5）：功能快连线 M1:M1:局部（单元内）连线-0.49 M2 -0.49 M3 -0.17 M4 -1.00 M1 -0.08 M5 -0.07 M6 TJU.ASIC Center-Arnold Shi导线导线v 集成电路的导线已经形成复杂的几何形体,引起电容、电阻和电感等寄生参数效应。会使传播延时增加，性能下降 会影响功率和能耗的分布 会引起额外的噪声来源，影响电路的可靠性TJU.ASIC Center-Arnold Shi导线的完整模型和电容模型导线的完整
5、模型和电容模型TJICTJU.ASIC Center-Arnold Shi二、二、ELMOREELMORE延时模型延时模型TJU.ASIC Center-Arnold Shi传播延时建模分析传播延时建模分析v 用一阶 RC网络分析RCvinvoutvout(t)=(1 et/)V =RC，时间常数，时间常数到达50%的点的时间t=ln(2)=0.69 到达90%的点的时间t=ln(9)=2.2 TJU.ASIC Center-Arnold Shi树结构的树结构的RCRC网络网络v 该电路只有一个输入点v 所有的电容都在某个节点与地之间v 该电路不包括任何电阻回路（形成树结构）sr11234ir
6、2r4r3ric1c2c4cic3TJU.ASIC Center-Arnold Shi 艾尔默延时艾尔默延时v 路径电阻：从源节点到任何节点之间存在唯一的电阻路径，其总电阻称为路径电阻rii=rj (rj path(s i)v 共享路径电阻表示从个节点到i及k两个节点的路径中共享部分的总电阻rikrik=rj (rj path(si)path(sk)j=1ij=1Nv该节点的elmore延时为Di=ci rikk=1NTJU.ASIC Center-Arnold ShiElmore Elmore 延时模型的应用延时模型的应用v 为长导线建立延时模型v 为传输门逻辑的延时建模v 对上拉或下拉网络
7、的延时模型建模TJU.ASIC Center-Arnold Shi例题例题:RC:RC树的树的ElmoreElmore延时延时c1c2ci-1cicNr1r2ri-1rirNVinVN12i-1iNElmore delay equation DN=cirii=ci rjNi Di=c1r1+c2(r1+r2)+ci(r1+r2+ri)Di=c1req+2c2req+3c3req+icireqTJU.ASIC Center-Arnold Shi课堂练习：计算下列图形的课堂练习：计算下列图形的elmoreelmore延时延时TJICTJU.ASIC Center-Arnold Shi三、互连线的电
8、容模型三、互连线的电容模型TJU.ASIC Center-Arnold Shi互连线的平行板电容模型互连线的平行板电容模型电场电力线WHtdi电解质(SiO2)衬底Cpp=(di/tdi)WL电流总电容介电常数(SiO2=3.9)LTJU.ASIC Center-Arnold Shi典型的绝缘材料的相对介电常数典型的绝缘材料的相对介电常数MaterialMaterialdiFree space1Teflon AF，聚四氟乙烯2.1Aromatic thermosets(SiLK)芳香族热固材料2.6 2.8Polyimides(organic)3.1 3.4Fluorosilicate gla
9、ss(FSG氟硅酸盐)3.2 4.0Silicon dioxide3.9 4.5Glass epoxy(PCBs)5Silicon nitride7.5Alumina(package)9.5Silicon11.7Hafnium dioxide二氧化铪22TJU.ASIC Center-Arnold Shi边缘电容及其影响边缘电容及其影响TJU.ASIC Center-Arnold Shi边缘场效应的互连电容与W/t的关系(from Bakoglu89)H/tdi=1H/tdi=0.5CppW/tdiTJU.ASIC Center-Arnold Shi导线的电容耦合导线的电容耦合边沿电容边沿电容
10、pp电容电容Cwire=Cpp+Cfringe+Cinterwire =(di/tdi)WL +(2di)/log(tdi/H)+(di/tdi)HLTJU.ASIC Center-Arnold Shi互连电容与设计规则的关系互连电容与设计规则的关系TJU.ASIC Center-Arnold Shi设计时设计时,对于导线电容的考虑对于导线电容的考虑v 一般制造商会提供每层的面电容和周边电容。v 实际设计时，可以查表或查图。v 考虑性能时，电容的计算：要用制造后的实际尺寸，考虑延迟或动态功耗时，一般用最坏情况（最大宽度W W，最薄介质）考虑竞争情况时用最小宽度W W 及最厚介质。TJU.ASI
11、C Center-Arnold Shi减少连线电阻v 采用有选择性的工艺尺寸缩小 采用优质互连线材料 如：铜、硅化物（Silicides）采用更多互连层 减少平均导线长度n+n+SiO2polysiliconsilicidepTJU.ASIC Center-Arnold Shi四、导线四、导线RCRC延时模型延时模型v 理想导线：没有任何附加参数或寄生元件的简单连线 导线一端的变化会立刻传递到另一端 导线是一个等势区v 集总模型（Lumped C model）cwireDriver单位长度电容VoutClumpedRDriverVoutTJU.ASIC Center-Arnold Shi互连线
12、延时的仿真结果互连线延时的仿真结果voltage(V)time(nsec)VinVoutLL/10L/4L/2LTJU.ASIC Center-Arnold Shi导线延时模型导线延时模型v 集总式RC模型 导线的电阻部分很小，并且开关频率在低至中间范围内 把分布的电容集总为单个电容v 分布式RC模型 导线寄生参数沿导线长度分布 c 与 l 表示单位长度的电阻和电容(r,c,L)VNVinrLVinVNrLrLrLrLcLcLcLcLcLTJU.ASIC Center-Arnold Shi分布式分布式rcrc线线导线长度为L，分割成N段，每段电阻r L/N，每段的电容 c L/N利用Elmor
13、e延时来计算TJU.ASIC Center-Arnold Shi两种模型的阶跃响应两种模型的阶跃响应Voltage RangeLumped RCDistributed RC0 50%(tp)0.69 RC0.38 RC0 63%()RC0.5 RC10%90%(tr)2.2 RC0.9 RC0 90%2.3 RC1.0 RCTJU.ASIC Center-Arnold Shi例题：考虑驱动器内阻例题：考虑驱动器内阻RS时时RC线的延时线的延时TJU.ASIC Center-Arnold Shi传输线的传输线的spicespice模型模型如果仿真器不支持分布式的如果仿真器不支持分布式的RC 模型,可以手动用具有有限个元件的集总RC 网络来近似，pi3模型精度误差小于3%TJU.ASIC Center-Arnold Shi练习：计算练习：计算T2T2模型与模型与PI3PI3模型的延时模型的延时TJU.ASIC Center-Arnold Shi电子系统中的互连线电子系统中的互连线
