Modelling and Simulation of the IR-Drop phenomenon in integrated circuits

par Marina Aparicio Rodriguez

Thèse de doctorat en SYAM - Systèmes Automatiques et Microélectroniques

Sous la direction de Michel Renovell et de Mariane Comte.

  • Titre traduit

    Modélisation et simulation du phénomène d'IR-Drop dans les circuits intégrés


  • Résumé

    L'évolution des technologies microélectroniques voire déca-nanoélectroniques conduit simultanément à des tensions d'alimentation toujours plus faibles et à des quantités de transistors toujours plus grandes. De ce fait, les courants d'alimentation augmentent sous une tension d'alimentation qui diminue, situation qui exacerbe la sensibilité des circuits intégrés au bruit d'alimentation. Un bruit d'alimentation excessif se traduit par une augmentation du retard des portes logiques pouvant finalement produire des fautes de retard. Un bruit d'alimentation provoqué par des courants circulant dans les résistances parasites du Réseau de Distribution d'Alimentation est communément référencé sous la dénomination d'IR-Drop.Cette thèse s'intéresse à la modélisation et à la simulation de circuits logiques avec prise en compte du phénomène d'IR-Drop. Un algorithme original est tout d'abord proposé en vue d'une simulation de type ‘event-driven' du block logique sous test, en tenant compte de l'impact de l'ensemble du circuit intégré sur l'IR-Drop du block considéré. Dans ce contexte, des modèles précis et efficaces sont développés pour les courants générés par les portes en commutation, pour la propagation de ces courants au travers du réseau de distribution et pour les retards des portes logiques. D'abord, une procédure de pré-caractérisation des courants dynamiques, statiques et des retards est décrite. Ensuite, une seconde procédure est proposée pour caractériser la propagation des courants au travers du réseau de distribution. Nos modèles ont été implantés dans une première version du simulateur développé par nos collègues de Passau dans le cadre d'une collaboration. Enfin, l'impact des éléments capacitifs parasites du réseau de distribution est analysé et une procédure pour caractériser la propagation des courants est envisagée.


  • Résumé

    Scaling technology in deep-submicron has reduced the voltage supply level and increased the number of transistors in the chip, increasing the power supply noise sensitivity of the ICs. Excessive power supply noise affects the timing performance increasing the gate delay and may cause timing faults. Specifically, power supply noise induced by the currents that flow through the resistive parasitic elements of the Power Distribution Network (PDN) is called IR-Drop. This thesis deals with the modelling and simulation of logic circuits in the context of IR-drop. An original algorithm is proposed allowing to perform an event-driven delay simulation of the logic Block Under Test (BUT) while taking into account the whole chip IR-drop impact on the simulated block. To do so, we develop accurate and efficient electrical models for the currents generated by the switching gates, the propagation of the current draw through the PDN and the gate delays. First, the pre-characterization process for the dynamic currents, static currents and gate delays is described to generate a gate library. Then, another pre-characterization procedure is suggested to estimate the current distribution through the resistive PDN model. Our models are implemented in a first version of the simulator by the University of Passau in the context of a project collaboration. In addition, the impact of the parasitic capacitive elements of the PDN is analyzed and a procedure to derive the current distribution in a resistive-capacitive PDN model is proposed.


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