개요

최근 들어 날로 발전하고 있는 ASIC 설계에 있어 메모리를 사용하지 않고 만드는 SoC 칩이 없을 정도로 메모리가 많이 사용되고 있습니다. 즉 메모리가 사용되지 않은 SoC 칩이 없을 정도로 많은 메모리가 SoC 디자인에 사용되고 있고, 또한 반도체 공정이 0.1um 이하의 극초정밀 공정으로 진화 하면서 메모리에 대한 특성을 제대로 고려하여 설계하지 않으면 칩이 제대로 동작하지 않는 경우가 발생할 수 있습니다.

Legend사에서는 이와 같이 ASIC 설계에 사용되는 메모리에 대한 특성을 제대로 파악해 사용할 수 있도록 Characterization 솔루션을 제공하고 있습니다.

대부분의 메모리는 상용 툴인 메모리 컴파일러를 이용해 SoC 설계에 해당하는 메모리를 만들어 사용하게 되는데, 이때 메모리 컴파일러에 의해 Synopsys의 Liberty file이 만들어집니다. 이것을 입력으로 받아 사용자가 원하는 조건에 맞추어 해당 메모리 셀에 대한 특성을 Spice simulation을 통해 정확하고 빠르게 추출하여 설계에 사용할 수 있는 Synopsys Liberty file을 다시 제공합니다.

이러한 Re-characterization은 다음과 같은 경우에 반드시 필요합니다.

- Timing, Power, Capacitance등을 포함하는 Memory compiler modeling development
- Low-Power 또는 High-Speed 설계를 위한 정확한 Instance Model
- Technology Re-targeting, e.g. 0.25um -> 0.22um
- 여러 개의 Foundry source를 가져가려고 할 때
- 다양한 PVT(Process, Voltage and Temperature) condition 적용

Product

Memory IP에 대해 특성을 추출하고 검증해 주는 EDA tool set인 Legend사의 CharFlo-Memory! 는 MSL, MemChar, SpiceCut 그리고 MSIM등으로 구성되어 있습니다.

1. MSL : 'Lib-in and Lib-out' Automation

Memory characterization을 수행하기 위해서는 무수히 많은 Circuit simulation을 수행해야 합니다. 그리고 이런 Simulation 수행에 앞서 각각의 circuit simulation에서 구해야 하는 값을 제대로 추출하기 위해 매번 제어용 file들을 수작업으로 만들어야 합니다.
즉, Access time, Setup time, Hold time, Clock time등을 구할 때마다 각각에 맞는 control file을 만들어 circuit simulation을 수행해야 하는데 MSL module이 이러한 control file들을 자동으로 만들어 characterization main program인 SpiceCut과 MemChar로 넘겨주기 때문에 사용자는 MSL에 들어가는 간단한 configuration file만 만들어 줌으로서 모든 일이 끝나게 됩니다.
이렇게 주어진 입력에 맞추어 각각의 simulation을 통해 추출된 정확한 값들은 다시 MSL module에 의해 취합 되어 새로운 Synopsys Liberty file을 만들어 줍니다.

2. SpiceCut : Building Critical-Path Circuits

Layout으로부터 추출된 netlist는 상당히 커서 일반 circuit simulator로 simulation 수행하려면 시간이 상당히 많이 걸리게 되며 어떤 경우에는 그 크기가 너무 커서 수행조차 되지 않습니다. 이 부분이 Memory Characterization을 하기 위한 아주 치명적인 부분이 되는데 Legend의 CharFlo-Memory!에서는 SpiceCut module을 이용하여 Critical-path circuit을 구성하여 이를 이용해 circuit simulation을 수행하게 됩니다.
따라서 Memory Characterization을 위해 입력되는 여러 개의 slew rate나 output loading, 그리고 PVT condition에 대해 각각 setup time, hold time을 구하기 위해 circuit simulation을 수행해야 하는데 Layout에서 추출된 netlist를 그대로 사용해서는 시간이 엄청나게 걸릴 뿐 아니라 결과가 나온다는 보장도 못하게 됩니다.
SpiceCut은 critical-path에 해당하는 부분만 추출하여 netlist를 구성하고 layout에서 추출한 기생 RC network도 AWE(Asymptotic Waveform Evaluation)-based RC reduction에 의해 90%이상 줄여 줌으로서 circuit simulation시간을 최소한으로 만들어줍니다.

Feature

Build Critical-Path netlist
- Create small equivalent circuit for Spice simulation by removing the redundancy
and remodeling memory arrays
- Build bi-section models for setup/hold time and minimum clock width
- Perform RC reduction
- Generate critical-path circuits for power

Verify and Debug Circuit
- Verify memory structure from layout-extracted netlist
- Check the decoder function by toggling all address patterns, and simulating them
- Locate worst and best word line by running Spice simulation on each pattern automatically
- ERC analysis over entire chip

3. MemChar : Memory Characterization

Legend Tool의 핵심 되는 부분으로 MSL이 만들어준 Control File과 SpiceCut이 만들어준 Netlist를 이용하여 해당 Memory Cell에 대한 Library 특성을 추출해 주는 module입니다. 실제로 MemChar module에는 자동으로 Embedded memory에 대한 Characterization과 silicon 레벨의 정확성을 지닌 Timing model과 Power model을 만들어 주기 위한 여러가지 특허 기술이 들어가 있습니다. Design이 점점 복잡해지고 Clock frequency가 높아짐에 따라 glitch나 unsettled state 같은 reliability 문제가 아주 치명적이 되어 결과적으로 만들고자하는 Chip의 Performance target을 맞추지 못하고 Silicon Yield도 아주 낮게 나오게 됩니다. MemChar는 정확한 Setup/Hold time을 추출하여 사용할 수 있도록 Characterization을 해 줌으로서 이러한 reliability 문제들을 미연에 방지할 수 있습니다.

Feature
Generate the simulation stimulus and controls for all timing and power parameters
Control the creation of numerous Spice netlists along with the necessary measurement statements through SpiceCut
Manage operations such as automating sweep loops for timing tables and optimization
Allow users to specify a preferred circuit simulator
Perform reliability checking - including glitch prevention and design margin checking

Complete Solution
Bi-Section Mode
- Setup and hold time from binary iterations
- Glitches and racing prevention
- Accurate and Automated

Path-difference Mode
- Setup/Hold time from paths' difference
- Automated by latch pattern recognition

4. MSIM : Characterization-oriented circuit simulator

MSIM은 CharFlo-Memory!과 Interface되어 수행되는 circuit simulator로 Memory characterization을 위한 최적의 circuit simulator입니다.

Feature
Accuracy : Within 1% compared to the current market leading SPICE simulator
Speed : More than twice the speed compared to the current market leading SPICE simulator
Optimization : Optimized for memory and standard cells characterization optimization
Price-Performance : Excellent value by state of art engine at a fraction of cost

지원 내용
상용 Memory Compiler 사용자
- Artisan, Virage, TSMC, Faraday, Virtual Silicon
In-House Memory compiler Development
Memory Type
- Synchronous / Asynchoronous
- Single-port / Dual-port SRAM
- Single-port / Dual-port Register File
- ROM,….
Major Technology
- 0.25um, 0.18um, 0.15um, 0.13um
Major Foundry
- TSMC, UMC, IBM
Platform
- Sun Solaris, Linux(RedHat 7.3이상)
Simulation Job Control
- SunGrid, LSF
Automatic Characterization MSL module을 이용한 Puch-Button automation이 가능한
상용 memory compiler

N/A means the compilers not available from vendors
* Legend's Customer and/or Partner

Success Story