Functional timing analysis of VLSI circuits containing complex gates

Abstract

The recent advances in CMOS technology have allowed for the fabrication of transistors with submicronic dimensions, making possible the integration of tens of millions devices in a single chip that can be used to build very complex electronic systems. Such increase in complexity of designs has originated a need for more efficient verification tools that could incorporate more appropriate physical and computational models. Timing verification targets at determining whether the timing constraints imposed to the design may be satisfied or not. It can be performed by using circuit simulation or by timing analysis. Although simulation tends to furnish the most accurate estimates, it presents the drawback of being stimuli dependent. Hence, in order to ensure that the critical situation is taken into account, one must exercise all possible input patterns. Obviously, this is not possible to accomplish due to the high complexity of current designs. To circumvent this problem, designers must rely on timing analysis. Timing analysis is an input-independent verification approach that models each combinational block of a circuit as a direct acyclic graph, which is used to estimate the critical delay. First timing analysis tools used only the circuit topology information to estimate circuit delay, thus being referred to as topological timing analyzers. However, such method may result in too pessimistic delay estimates, since the longest paths in the graph may not be able to propagate a transition, that is, may be false. Functional timing analysis, in turn, considers not only circuit topology, but also the temporal and functional relations between circuit elements. Functional timing analysis tools may differ by three aspects: the set of sensitization conditions necessary to declare a path as sensitizable (i.e., the so-called path sensitization criterion), the number of paths simultaneously handled and the method used to determine whether sensitization conditions are satisfiable or not. Currently, the two most efficient approaches test the sensitizability of entire sets of paths at a time: one is based on automatic test pattern generation (ATPG) techniques and the other translates the timing analysis problem into a satisfiability (SAT) problem. Although timing analysis has been exhaustively studied in the last fifteen years, some specific topics have not received the required attention yet. One such topic is the applicability of functional timing analysis to circuits containing complex gates. This is the basic concern of this thesis. In addition, and as a necessary step to settle the scenario, a detailed and systematic study on functional timing analysis is also presented.

Os recentes avanços experimentados pela tecnologia CMOS tem permitido a fabricação de transistores em dimensões submicrônicas, possibilitando a integração de dezenas de milhões de dispositivos numa única pastilha de silício, os quais podem ser usados na implementação de sistemas eletrônicos muito complexos. Este grande aumento na complexidade dos projetos fez surgir uma demanda por ferramentas de verificação eficientes e sobretudo que incorporassem modelos físicos e computacionais mais adequados. A verificação de timing objetiva determinar se as restrições temporais impostas ao projeto podem ou não ser satisfeitas quando de sua fabricação. Ela pode ser levada a cabo por meio de simulação ou por análise de timing. Apesar da simulação oferecer estimativas mais precisas, ela apresenta a desvantagem de ser dependente de estímulos. Assim, para se assegurar que a situação crítica é considerada, é necessário simularem-se todas as possibilidades de padrões de entrada. Obviamente, isto não é factível para os projetos atuais, dada a alta complexidade que os mesmos apresentam. Para contornar este problema, os projetistas devem lançar mão da análise de timing. A análise de timing é uma abordagem independente de vetor de entrada que modela cada bloco combinacional do circuito como um grafo acíclico direto, o qual é utilizado para estimar o atraso do circuito. As primeiras ferramentas de análise de timing utilizavam apenas a topologia do circuito para estimar o atraso, sendo assim referenciadas como analisadores de timing topológicos. Entretanto, tal aproximação pode resultar em estimativas demasiadamente pessimistas, uma vez que os caminhos mais longos do grafo podem não ser capazes de propagar transições, i.e., podem ser falsos. A análise de timing funcional, por sua vez, considera não apenas a topologia do circuito, mas também as relações temporais e funcionais entre seus elementos. As ferramentas de análise de timing funcional podem diferir por três aspectos: o conjunto de condições necessárias para se declarar um caminho como sensibilizável (i.e., o chamado critério de sensibilização), o número de caminhos simultaneamente tratados e o método usado para determinar se as condições de sensibilização são solúveis ou não. Atualmente, as duas classes de soluções mais eficientes testam simultaneamente a sensibilização de conjuntos inteiros de caminhos: uma baseia-se em técnicas de geração automática de padrões de teste (ATPG) enquanto que a outra transforma o problema de análise de timing em um problema de solvabilidade (SAT). Apesar da análise de timing ter sido exaustivamente estudada nos últimos quinze anos, alguns tópicos específicos não têm recebido a devida atenção. Um tal tópico é a aplicabilidade dos algoritmos de análise de timing funcional para circuitos contendo portas complexas. Este constitui o objeto básico desta tese de doutorado. Além deste objetivo, e como condição sine qua non para o desenvolvimento do trabalho, é apresentado um estudo sistemático e detalhado sobre análise de timing funcional.