Προσομοίωση κατανάλωσης ισχύος σε μεγάλης κλίμακας ολοκληρωμένα κυκλώματα
Creators: name: Παναγιωτοπούλου, Χριστίνα Τιμόθεου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Κατανάλωση ισχύος
Προσομοιωτές ανοιχτού κώδικα
Πτώση τάσης
Power integrity
Open Source Simulators
Voltage drop

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία προτείνεται ένας τρόπος προσομοίωσης ισχύος με τη χρήση προσομοιωτών ανοιχτού κώδικα. Η κυρίαρχη πρόκληση στη σχεδίαση κυκλωμάτων υψηλών ταχυτήτων είναι συνδεδεμένη με τη σχεδίαση του συστήματος παροχής ισχύος. Η παροχή ισχύος σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα κατανέμεται ομοιόμορφα μέσω των μετάλλων που σχηματίζουν το δίκτυο παροχής ισχύος. Κάθε μεταλλικό στρώμα που χρησιμοποιείται στο δίκτυο παροχής ισχύος έχει περιορισμένη ικανότητα αντίστασης. Όταν το ρεύμα ρέει μέσω του δικτύου παροχής ισχύος, ένα μέρος της εφαρμοζόμενης τάσης θα πέσει πάνω στο δίκτυο σύμφωνα με τον νόμο του Ωμ. Συγκεκριμένα, η προσομοίωση ισχύος είναι η ανάλυση που χρησιμοποιείται, για να διαπιστωθεί αν τα επιμέρους στοιχεία του κυκλώματος λαμβάνουν την απαιτούμενη τάση, για να λειτουργήσουν σωστά. Κίνητρο, λοιπόν, για την παρούσα διπλωματική εργασία υπήρξε το πρόβλημα ότι σε ψηφιακά κυκλώματα με μεγάλο αριθμό πυλών είναι δύσκολο να προβλεφθεί αν κατά τον φυσικό σχεδιασμό όλες οι πύλες θα λαμβάνουν την απαιτούμενη τάση τροφοδοσίας για τη λειτουργία τους. Για να αντιμετωπιστεί αυτή η δυσκολία, θα ήταν εξαιρετικά χρήσιμο να μπορούσε να πραγματοποιηθεί μία μη χρονοβόρα προσομοίωση που θα περιλάμβανε και τη σύνθετη αντίσταση των μετάλλων. Η μεθοδολογία που προτείνεται είναι να δημιουργηθεί ένα αρχείο τιμών διαχωρισμένων με κόμμα (csv) και θα περιλαμβάνει τη διασύνδεση του κυκλώματος (netlist). Έπειτα, με τη χρήση της γλώσσας προγραμματισμού Python είναι εύκολο με λίγες μόλις εντολές να τροποποιηθεί το κύκλωμα που πρόκειται να προσομοιωθεί. Το αρχείο τιμών διαχωρισμένων με κόμμα (csv) της εργασίας περιλαμβάνει το βασικό κύκλωμα, που αποτελείται από ένα D-latch flip-flop και έναν εννιά σταδίων ταλαντωτή δακτυλίου. Για να αυξηθεί η πολυπλοκότητα του κυκλώματος, προστίθεται στην έξοδο του κάθε αντιστροφέα του ταλαντωτή μία αλυσίδα που περιλαμβάνει εννέα αντιστροφείς, οι οποίοι καταλήγουν στη γείωση μέσω πυκνωτών. Το βασικό κύκλωμα περιέχει συνολικά ενενήντα (90) πύλες. Στη συνέχεια, αυτό το βασικό κύκλωμα πολλαπλασιάζεται επί δέκα ή εκατό φορές και δημιουργείται ένα κύκλωμα που περιλαμβάνει εννιακόσιες (900) ή εννέα χιλιάδες (9000) πύλες αντίστοιχα. Συνεπώς, αυτοματοποιείται η διαδικασία παραγωγής μεγάλης κλίμακας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ένας άλλος παράγοντας που παίζει σημαντικό ρόλο στην κατανάλωση ισχύος είναι και η γεωμετρία της διάταξης. Για τον λόγο αυτό προτείνονται τρεις διαφορετικές τοπολογίες. Αρχικά, γίνεται προσομοίωση της ιδανικής τοπολογίας και στη συνέχεια με προγραμματιστικές εντολές προστίθενται τα παρασιτικά μοντέλα. Το πρώτο παρασιτικό μοντέλο περιλαμβάνει μόνο μία αντίσταση, το δεύτερο μία αντίσταση σε σειρά με ένα πηνίο και το τρίτο μία αντίσταση, ένα πηνίο και δύο πυκνωτές. Μετά τις προσομοιώσεις γίνεται αντιληπτό ότι κατά την τοποθέτηση των παρασιτικών μοντέλων στην ιδανική τοπολογία, δε λαμβάνουν όλα τα επιμέρους στοιχεία την ίδια τάση τροφοδοσίας. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της αντίστασης, τόσο μεγαλύτερη είναι και η πτώση τάσης, όπως επίσης όσο πιο απομακρυσμένο είναι ένα σημείο, τόσο μικρότερη τάση τροφοδοσίας λαμβάνει. Εξάγεται, συνεπώς, το συμπέρασμα ότι η προσομοίωση της ισχύος είναι εφικτή με τη χρήση προσομοιωτών ανοιχτού κώδικα και προσφέρει ακριβή αποτελέσματα σε σύντομο χρόνο. Με τη συγκεκριμένη μεθοδολογία επιτυγχάνεται αυτοματοποίηση της δημιουργίας κυκλωμάτων με μεγάλο αριθμό πυλών και παρέχεται η δυνατότητα αναπροσαρμογής των παραμέτρων και εκτέλεση νέων προσομοιώσεων
description: In this thesis, a power analysis methodology is proposed using open source simulators. The dominant challenge in designing high-speed systems is related to the design of the Power Delivery System (PDS). A chip’s power supply is evenly distributed to the circuit blocks through the power delivery network (PDN). The PDN consists of metal lines and vias, providing the power path, from the positive voltage supply rail (VDD) to the circuit blocks. Each metal line presents finite resistivity. As Ohm’s law indicates, when current flows through the power grid, a voltage drop (also referred as IR drop) is observed. More accurately, Power Integrity (PI) is an analysis used to determine whether the individual components of the circuit are receiving the required voltage in order to function properly. The motivation for this thesis was that in digital circuits with a large number of gates, it is difficult to predict whether during the physical design all the gates will receive the required supply voltage for their operation. To overcome this difficulty, it would be useful to perform quick simulation including the power grid impedance. The proposed methodology is to create a comma separated values file (csv), which includes the circuit’s netlist. Then using the programming language, Python, it is easy with just few commands to modify the circuit to be simulated. The csv file, used in this thesis, includes the basic cell, which is a D-latch 9-ring oscillator. To provide higher complexity to the basic cell, branches of nine inverters are connected between the ring oscillator’s stages. Each inverter is connected to the ground via a capacitor. The basic cell consists of ninety (90) gates. Due to the capabilities of Python, this basic cell can be multiplied by ten or one hundred times to create a logic containing nine hundred (900) or nine thousand (9000) gates, respectively. Consequently, automated generation of large scale netlists is achieved. The geometry of the topology is another important element influencing the power integrity. Therefore, three different topologies are proposed. At the begging, the simulation of the ideal topology is performed and then the parasitic models are added via programming commands. The first parasitic model includes only one resistor, the second one a resistor in series with one inductor and the third one a resistor, an inductor and two capacitors. After the simulations, it is concluded that when placing the parasitic models in the ideal topology, not all individual elements receive the same supply voltage. The higher the value of the resistance, the higher the voltage drop, and the further an element is from the supply voltage, the lower the supply voltage it receives. Moreover, it is concluded that power integrity simulation is feasible using open source simulators and offers accurate results in a short simulation time. Automated generation of large-scale netlists is achieved, while offering full hierarchy definition and seamless scale up. Furthermore, on the fly adaption of the network’s parameter is provided