三維NoC噪聲模型及其仿真方法
2023-09-18 07:23:45
專利名稱：三維NoC噪聲模型及其仿真方法
技術領域：
本發明涉及一種噪聲模型及其仿真方法，具體地說，是涉及一種 三維NoC噪聲模型及其仿真方法。
背景技術：
片上網絡的研究開始於1999年，研究的初衷是探索片上系統通 信部分的系統級設計方法。很快，研究就涉及到從物理設計到體系結 構、作業系統，以及應用等各個層面。目前，片上網絡的概念很寬泛， 包括硬體通信結構、中間件、作業系統通信服務以及設計方法和工具 等。從系統結構角度看，片上網絡研究的重點在於片上網絡的拓撲結 構、片上網絡協議、片上網絡服務質量和片上網絡的低功耗等。
隨著生產技術的進步，未來的製造工藝將邁向納米級。當製造工 藝下降到納米級時，由於工藝尺寸的縮小和單片集成度的提高，互連 線對片上幹擾源的敏感程度顯著增加。在現有工藝條件下"電器波形 總是能夠承載正確的片上信息"的假設將會被徹底打破。片上眾多的 幹擾源產生的噪聲成為影響通信可靠性的重要問題。如何很好的模擬 這些幹擾源的影響，並為之提供一種解決方案，成為一個迫切需要解 決的問題。
現在在NoC通信可靠性研究領域，還沒有一個通用的NoC噪聲模 型。比較認可的是Hegde和Shanbhag提出的NoC噪聲評估模型。此 模型是一個假設模型，所有的噪聲源都被假設為一個簡單的高斯噪聲
源，則整體噪聲被建模為所有假設高斯噪聲源的疊加。此模型沒有考
慮系統電源分配網絡的影響，而且對於NoC中的非高斯分布的噪聲影
響無法進行模擬。
發明內容
本發明的目的是提供一種噪聲模型及其仿真方法，充分考慮各種 噪聲源的影響，不僅實現了服從高斯分布的噪聲源模擬，還實現了不 服從高斯分布的噪聲源的模擬。
為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下
一種三維NoC噪聲模型，其特徵在於，所述三維NoC噪聲模型包
括(1)系統電源封裝等效模型，用於模擬系統級電源分配網絡中噪
聲的影響；(2)電源分配網絡等效模型，用於模擬片內電源分配網絡 中噪聲的影響，電源分配網絡等效模型與電源封裝等效模型相連；(3) 信號線的^型等效模型，用於模擬導線的分布中噪聲的影響；(4) 三維串擾等效模型，用於模擬相鄰層之間的噪聲影響；(5)信號線的 ^型等效模型和三維串擾等效模型共同組成設置於電源分配網絡等 效模型中的內部電路等效模型。
所述系統電源封裝等效模型包括
理想電壓源VD。一端串聯電阻Rl、電感Ll，另一端串聯電阻R8、 電感L8，實現對電壓調整器模擬；
與電感Ll輸出端相連的理想電容Cl、與電感L8輸出端相連的 電阻R2以及連接理想電容Cl和電阻R2的電感L2，實現對電壓調整 器附近的旁路電容模擬；
電阻R3串聯電感L3，電阻R9串聯電感L9，共同模擬印刷電路板 上的寄生參數，其中，電阻R3輸入端與電感Ll輸出端相連，電阻R9輸 入端與電感L8輸出端相連；
與電感L3輸出端相連的理想電容C2、與電感L9輸出端相連的 電阻R4以及連接理想電容C2和電阻R4的電感L4，實現對模擬管殼 附近的陶瓷電容模擬；
電阻R5串聯電感L5，電阻R10串聯電感LIO，共同模擬管殼及其 引腳的寄生參數，其中，電阻R5輸入端與電感L3輸出端相連，電阻RIO 輸入端與電感L9輸出端相連；
與電感L5輸出端相連的理想電容C3、與電感L10輸出端相連的 電阻R6以及連接理想電容C3和電阻R6的電感L6，實現對管殼內置 電容模擬；
電阻R7串聯電感L7，電阻Rll串聯電感Lll,共同模擬晶片與管 腳的連接線上的寄生參數，其中，電阻R7輸入端與電感L5輸出端相連， 電阻Rll輸入端與電感L10輸出端相連，而電感L7、電感Lll的輸出 端分別與電源分配網絡等效模型的輸入端、輸出端相連。
所述電源分配網絡等效模型包括一個上接系統電源封裝等效模 型中電感L7輸出端的電阻R—p和一個下接系統電源封裝等效模型中 電感Lll輸出端的電阻R—n，內部電路等效模型設置於電阻R—p與電 阻R—n之間。
所述內部電路等效模型包括至少一個信號線的^型等效模型和 一個三維串擾等效模型。
所述信號線的n型等效模型由兩個電容橋C接"個電阻R組成。
所述三維串擾等效模型包括平行線之間的串擾等效模型和垂直 線之間的串擾等效模型。
所述平行線之間的串擾等效模型由跨結在兩個^模型之間的兩 個等效電容G組成。
所述垂直線之間的串擾等效模型由跨結在兩個^模型之間的一 個等效電容G組成。
所述三維NoC噪聲模型中採用一個反相器驅動一根導線，後接--個反相器的方式來模擬驅動關係。
所述三維NoC噪聲模型的仿真方法包括以下步驟(1)獲取系統
電源封裝等效模型、電源分配網絡等效模型、信號線的H型等效模 型和三維串擾模型的寄生參數和驅動能力參數；(2)按照三維NoC噪 聲模型搭建仿真電路；(3)設定外部環境的約束條件，包括a.設定
溫度變化範圍，並統計其分布情況，b.設定電源電壓變化範圍，並統
計其分布情況；(4)運行仿真工具HSPICE或者smarspice進行仿真； (5)根據仿真獲取的某一時刻的採樣結果，來得到整個噪聲的等效 分布情況。
下面對本發明中四個等效模型分別進行詳細描述。 一.電源封裝等效模型
如圖1所示，在一個集成系統中，系統電源分配網絡主要由電壓 調整器、電壓調整器附近的旁路電容、印刷電路板、晶片管殼附近的 旁路電容、管殼和晶片組成。電壓調整器的作用是試圖產生一個恆定
的與負載電流無關的輸出電源電壓。它被建模為"個理想電壓源，它 的輸出引腳具有很小的電阻和引腳電感。電壓調整器附近的旁路電容 是一個大體電容(通常是電解電容或鉭電容)。它被建模為一個理想 電容，並用有效串聯電阻和有效串聯電感來表示外部電容器封裝的寄 生參數。印刷電路板上的電源和地平面將電流供應輸送道管殼，會帶 來電阻和電感。它被模擬為一個有效串聯電阻和有效串聯電感。而且 通常情況下會在管殼附近放置幾個小陶瓷電容。它被建模為一個理想 電容，並用有效串聯電阻和有效串聯電感來表示外部電容器封裝的寄 生參數。管殼以及其引腳也會帶來電阻和電感，採用一個理想電容串 聯一個有效串聯電阻和一個有效串聯電感來等效。高頻封裝通常會在 管殼內置一些解耦電容，同樣採用 一個理想電容串聯一個有效串聯電 阻和一個有效串聯電感來等效。晶片通過突出焊點或鍵合線和管殼相 連也會帶來額外的電阻和電感。它被建模為一個有效串聯電阻和有效 串聯電感。通過等效得到的電路可以很好的模擬現有的封裝技術的影 響。
二.電源分配網絡等效模型
片內電源分配網絡的用途是提供電晶體執行晶片標準邏輯功能 所需的電壓與電流。電源分配網絡的電壓降作為一種噪聲源嚴重影響
著電路的性能。在三維NoC噪聲模型中主要考慮電源分配網絡對噪聲
的影響，這種影響主要體現在電源分配網絡對於標準單元有效參考電
壓的影響。在模型中首先把NoC電源分配網絡等效為一個二埠網 絡，再利用戴維寧-諾頓等效定理，對於單模塊的電源分配網絡的進
行了等效電壓電流等效處理，在三維NoC噪聲模型中把等效為一個上 接電源V恥的電阻R—p和一個下接地GND地電阻R_n，如圖2所示。此 外在模型中考慮到了標準單元自身的工藝偏差對於模型噪聲的影響， 這R_p和R_n兩個電阻還可以起到模擬標準單元幹擾源噪聲的影響的 作用。
三. 信號線的h型等效電路
導線的分布式電阻和電容可以近似處理為多個集總器件。三種近 似模型分別為L模型、"模型和T模型。三維NoC噪聲模型中為了 很好考慮串擾的影響，在設計中選用如圖3所示的31模型進行建模， 即等效為兩個電容C橋接一個電阻R的形式。另外考慮到精度，當對 長線進行建模時，建議採用3段或者4段or模型進行建模。
四. 三維串擾等效模型
隨著工藝的進步和線寬的縮小，相鄰層的串擾影響變得越來越嚴 重。在模擬串擾影響時採用三維的模型，充分考慮上中下三層幹擾方 導線對於受擾方導線的影響，在模型中考慮上層三條金屬線的影響， 在中間層(即所在層)考慮相鄰兩條線的串擾影響，和最下層三條金 屬線的影響。對於平行線之間的串擾，如圖4所示，模型中使用跨結 在兩個it模型之間的兩個等效電容G來進行模擬，且兩個等效電容 中一個電容CB設置於兩個ox模型中的兩個電容C的輸入端之間，而 等效電容中另一個電容G則設置於兩個n模型中的另外兩個電容C 的輸出端之間。對於垂直線之間的的串擾，如圖5所示，模型中使用 多段模型進行等效導線的等效，模型中使用跨結在兩條線上的k
模型之間的--個等效電容G來進行模擬。對於45度走線的模型可以 根據等效作用等效為平行線作用和垂直線作用。
本發明不僅提出了一種三維的NoC噪聲模型，還提出了一種新的
仿真方法——採用蒙特卡羅來模擬NoC的噪聲仿真方法，其步驟包
括
(1) 獲得寄生參數和驅動能力參數；
(2) 按照三維NOC噪聲模型搭建仿真電路；
(3) 設定各個約束條件 設定溫度變化範圍，統計分布情況， 電源電壓變化範圍，統計分布情況；
施加的激勵要求在仿真中可以根據排列組合的方式，分別對 111、 115、 121、 123、 125施加不同的輸入信號進行噪聲的統計分析。 NoC的通道在一個異步的系統，同樣幹擾也是一種隨機分布的異步幹 擾。對於輸入幹擾信號的開始幹擾時間，用一個平均分布的開始時刻 等效。
(4) 運行仿真工具HSPICE或者smarspice進行仿真；
(5) 由於噪聲無論上時間域還是在幅度域都是一個隨機分布的過 程，通過在某一時刻的採樣結果得到噪聲疊加影響的信號結果。通過 這些採樣結果可以根據統計分布得到整個噪聲的等效分布情況，用於 指導NoC信道模型的評估。
本發明通過建立三維NoC噪聲模型，以及設計的NoC噪聲模型仿 真方法，不僅實現了片上網絡中噪聲影響的全方位模擬，解決了現有
技術中非高斯分布的噪聲影響無法模擬的問題，還提高了仿真準確 度。本發明屬於--種噪聲模擬仿真技術，主要應用於片上網絡中。
圖1為本發明中電源封裝等效模型的示意圖。
圖2為本發明中電源分配網絡等效模型的示意圖。 圖3為本發明中信號線的r型等效電路的示意圖。 圖4為本發明中平行線之間的串擾等效模型的示意圖。 圖5為本發明中垂直線之間的串擾等效模型的示意圖 圖6為本發明-實施例1的示意圖。 圖7為本發明-實施例2的示意圖。
具體實施例方式
下面通過舉例來對本發明作進一步說明。
根據各層金屬的走線不同，三維NoC噪聲模型分為兩種上中下
三層金屬線為平行線的三維NoC噪聲模型和上下層導線與中間層導 線垂直的三維NoC噪聲模型。 實施例1
實施例1以上中下三層金屬線為平行線進行說明。 如如圖1、圖2、圖3、圖4和圖6所示，模型中INV—* (其中* 為數字)為反相器模型；它有4個引腳電源VD。、地GND、輸入引腳 和輸出引腳。在模型中都採用一個反相器驅動一個導線，後接一個反 相器的方式的來模擬驅動關係。在圖6中受幹擾線是INV—23驅動的 信號線，幹擾線為INV—11、 INV—13、 INV—15、 INV_21、 INV—25、 INV_31、
INV—33、 INV—35驅動的信號線。模型中使用跨結在兩個n模型之間 的兩個等效電容來進行模擬串擾影響。
由於系統電源分配網絡位於最外層，主要作用是為系統提供電 源，因此電源封裝等效模型也應位於最外層，並和上層金屬線的等效 模型相連，上中下三層金屬線的等效模型依次串聯。電源分配網絡等 效模型、信號線的n型等效模型和三維串擾模型共同組成三層金屬 線的等效模型。
仿真步驟如下
(1) 獲得寄生參數和驅動能力參數
電源封裝等效模型參數需要在封裝廠商處獲得。型等效電路 的參數需要根據工藝和金屬的層數來計算或者提取獲得決定。串擾跨 接電容和實際線寬和線間距有關。反相器的驅動能力也是仿真模型中 考慮的問題。
(2) 按照三維NoC噪聲模型搭建仿真電路
(3) 設定各個約束條件 設定溫度變化範圍，統計分布情況， 電源電壓變化範圍，統計分布情況。
施加的激勵要求在仿真中可以根據排列組合的方式，分別對 INV_11、 INV_15、 INV—21、 INV一23、 INV_25施加不同的輸入信號進行 噪聲的統計分析。NoC的通道在一個異步的系統，同樣幹擾也是一種 隨機分布的異步幹擾。對於輸入幹擾信號的開始幹擾時間，用一個平 均分布的開始時刻等效。(4) 運行仿真工具HSPICE或者smarspice進行仿真
(5) 由於噪聲無論上時間域還是在幅度域都是一個隨機分布的過 程，通過在某一時刻的採樣結果得到噪聲疊加影響的信號結果。通過 這些採樣結果可以根據統計分布得到整個噪聲的等效分布情況，用於 指導NoC信道模型的評估。
實施例2
實施例2以上下兩層導線與中間層導線相垂直為例進行說明。
如圖l、圖2、圖3、圖5和圖7所示，模型中INV—* (其中*為 數字)為反相器模型，它有4個引腳電源V唚地GND、輸入引腳和 輸出引腳。模型中全部採用一個反相器驅動一個導線，後接一個反相 器的方式的來模擬驅動關係，上層的導線用2段"模型進行建模， 中層的導線用1段"模型進行建模，下層的導線用2段i模型進行 建模。在圖7中受幹擾線是INV_23驅動的信號線，幹擾線為INV—11、 INV_13、 INV—21、 INV—25、 INV—31、 INV—33驅動的信號線。模型中 使用跨結在兩個^模型之間的兩個等效電容來進行模擬串擾影響。
由於系統電源分配網絡位於最外層，主要作用是為系統提供電 源，因此電源封裝等效模型也應位於最外層，並和上層金屬線的等效 模型相連，上中下三層金屬線的等效模型依次並聯。電源分配網絡等 效模型、信號線的k型等效模型和三維串擾模型共同組成三層金屬 線的等效模型。
仿真步驟與實施例l相同。
按照上述兩個實施例便能夠很好地實現本發明。
權利要求
1. 一種三維NoC噪聲模型，其特徵在於，所述三維NoC噪聲模型包括系統電源封裝等效模型，用於模擬系統級電源分配網絡中噪聲的影響；電源分配網絡等效模型，用於模擬片內電源分配網絡中噪聲的影響，電源分配網絡等效模型與電源封裝等效模型相連；信號線的π型等效模型，用於模擬導線的分布中噪聲的影響；三維串擾等效模型，用於模擬相鄰層之間的噪聲影響；信號線的π型等效模型和三維串擾等效模型共同組成設置於電源分配網絡等效模型中的內部電路等效模型。
2. 根據權利要求l所述的三維NoC噪聲模型，其特徵在於，所述 系統電源封裝等效模型包括理想電壓源V。。一端串聯電阻Rl、電感Ll，另一端串聯電阻R8、 電感L8，實現對電壓調整器模擬；與電感Ll輸出端相連的理想電容Cl、與電感L8輸出端相連的 電阻R2以及連接理想電容Cl和電阻R2的電感L2，實現對電壓調整 器附近的旁路電容模擬；電阻R3串聯電感L3，電阻R9串聯電感L9，共同模擬印刷電路板 上的寄生參數，其中，電阻R3輸入端與電感L1輸出端相連，電阻R9輸 入端與電感L8輸出端相連；與電感L3輸出端相連的理想電容C2、與電感L9輸出端相連的 電阻R4以及連接理想電容C2和電阻R4的電感L4，實現對模擬管殼附近的陶瓷電容模擬；電阻R5串聯電感L5，電阻R10串聯電感LIO，共同模擬管殼及其 引腳的寄生參數，其中，電阻R5輸入端與電感L3輸出端相連，電阻RIO 輸入端與電感L9輸出端相連；與電感L5輸出端相連的理想電容C3、與電感L10輸出端相連的 電阻R6以及連接理想電容C3和電阻R6的電感L6，實現對管殼內置 電容模擬；電阻R7串聯電感L7，電阻Rll串聯電感Lll，共同模擬晶片與管 腳的連接線上的寄生參數，其中，電阻R7輸入端與電感L5輸出端相連， 電阻Rll輸入端與電感L10輸出端相連，而電感L7、電感Lll的輸出 端分別與電源分配網絡等效模型的輸入端、輸出端相連。
3. 根據權利要求1所述的三維NoC噪聲模型，其特徵在於，所述 電源分配網絡等效模型包括一個上接系統電源封裝等效模型中電感 L7輸出端的電阻R—p和一個下接系統電源封裝等效模型中電感Lll 輸出端的電阻R—n，內部電路等效模型設置於電阻R_p與電阻R—n之 間。
4. 根據根據權利要求3所述的三維NoC噪聲模型，其特徵在於， 所述內部電路等效模型包括至少一個信號線的"型等效模型和一個 三維串擾等效模型。
5. 根據權利要求1或4所述的三維NoC噪聲模型，其特徵在於， 所述信號線的^型等效模型由兩個電容C橋接一個電阻R組成。
6. 根據根據權利要求1或4所述的三維NoC噪聲模型，其特徵在於，所述三維串擾等效模型包括平行線之間的串擾等效模型和垂直線 之間的串擾等效模型。
7. 根據根據權利要求6所述的三維NoC噪聲模型，其特徵在於， 所述平行線之間的串擾等效模型由跨結在兩個TT模型之間的兩個等 效電容Gi組成。
8. 根據根據權利要求6所述的三維NoC噪聲模型，其特徵在於，所述垂直線之間的串擾等效模型由跨結在兩個H模型之間的一個等 效電容G組成。
9. 根據根據權利要求1所述的三維NoC噪聲模型，其特徵在於， 所述三維N0C噪聲模型中採用一個反相器驅動一根導線，後接一個反 相器的方式來模擬驅動關係。
10. —種三維NoC噪聲模型的仿真方法，其特徵在於，所述三維 N0C噪聲模型的仿真方法包括以下步驟(1) 獲取系統電源封裝等效模型、電源分配網絡等效模型、信 號線的"型等效模型和三維串擾模型的寄生參數和驅動能力參數；(2) 按照三維NoC噪聲模型搭建仿真電路；(3) 設定外部環境的約束條件，包括 設定溫度變化範圍，並統計其分布情況， 設定電源電壓變化範圍，並統計其分布情況；(4) 運行仿真工具HSPICE或者smarspice進行仿真；(5) 根據仿真獲取的某一時刻的採樣結果，來得到整個噪聲的 等效分布情況。 '
全文摘要
本發明公開了一種三維NoC噪聲模型，該三維NoC噪聲模型由系統電源封裝等效模型、電源分配網絡等效模型、信號線的π型等效模型和三維串擾模型組成。在此基礎上，本發明還公開了一種三維NoC噪聲模型的仿真方法，包括(1)獲取系統電源封裝等效模型、電源分配網絡等效模型、信號線的π型等效模型和三維串擾模型的寄生參數和驅動能力參數；(2)按照三維NoC噪聲模型搭建仿真電路；(3)設定外部環境的約束條件；(4)運行仿真工具進行仿真；(5)根據仿真獲取的某一時刻的採樣結果，來得到整個噪聲的等效分布情況。本發明不僅能夠模擬服從高斯分布的噪聲源，還可以模擬不服從高斯分布的噪聲源，主要應用於片上網絡。
文檔編號G06F17/50GK101377791SQ200810046259
公開日2009年3月4日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者春 何, 周婉婷, 磊 李, 胡劍浩 申請人:電子科技大學