On-silicon testbench for validation of soft logic cell libraries

Abstract

Projeto baseado em células-padrão é a abordagem mais aplicada no mercado de ASIC atualmente. Essa abordagem de projeto consiste no reuso de bibliotecas de células pré-customizadas para gerar sistemas digitais mais complexos. Portanto a eficiência de um projeto ASIC está relacionado com a biblioteca em uso. A utilização de portas lógicas CMOS geradas automaticamente no fluxo de projeto de circuito integrado baseado em células-padrão representa uma perspectiva atraente para melhorar a qualidade de projeto ASIC. Essas células geradas por software são os elementos-chave dessa nova abordagem de mapeamento tecnológico livre de biblioteca, já proposto na literatura e agora adotado pela indústria. O mapeamento tecnológico livre de biblioteca, baseado na criação de células sob demanda, por software, gera flexibilidade aos projetistas de circuitos integrados, fornecendo ajuste otimizado em aplicações específicas. Contudo, tal abordagem representa um fluxo de projeto de circuito integrado baseado em células lógicas criadas sob demanda por software, as quais não são previamente validadas em silício até que o ASIC alvo seja prototipado. Neste trabalho, um circuito de teste específico é proposto para validar a funcionalidade completa de um conjunto de células lógicas, bem como verificar comportamentos de atraso e consumo, os quais podem ser correlacionados com as estimativas de atraso e consumo do projeto, a fim de validar os dados das células gerados pela caracterização elétrica. A arquitetura proposta para o circuito de teste é composta por blocos combinacionais que garantem a completa verificação lógica de cada célula da biblioteca. A estrutura básica do circuito de teste é ligeiramente modificada para permitir diferentes modos de operação que permitem avaliação de diferentes dados utilizando simulações elétricas SPICE. Visto que o circuito de teste gera pequeno acréscimo de silício ao projeto final, ele pode ser implementado junto com o ASIC alvo, atuando como um ‘circuito de certificação de biblioteca’.

Cell-based design is the most applied approach in the ASIC market today. This design approach implies re-using pre-customized cell libraries to build more complex digital systems. Therefore the ASIC design efficiency turns to be bounded by the library in use. The use of automatically generated CMOS logic gates in standard cell IC design flow represents an attractive perspective for ASIC design quality improvement. These soft IPs (logic cells generated by software) are the key elements for the novelty libraryfree technology mapping, already proposed in literature and now being adopted by the industry. Library-free technology mapping approach, based on the on-the-fly creation of cells, by software, can provide flexibility to IC designers providing an optimized fit in a particular application. However, such approach represents an IC design flow based on logic cells created on-the-fly by software which have not been previously validated in silicon yet, until the target ASIC is prototyped. In this work, a specific test circuit (testbench) is proposed to validate the full functionality of a set of logic cells, as well as to verify timing and power consumption behaviors, which can be correlated with design timing and power estimations in order to validate the cell data provided by electrical characterization. The proposed architecture for the test circuit is composed by combinational blocks that ensure full logic verification of every library cell. The basic architecture of the test circuit is slightly modified to allow different operating modes which provide distinct data evaluation using SPICE electrical simulations. Since this test circuit brings little silicon overhead to the final design, it can be implemented together with the target ASIC acting as a ‘library certification circuit’.