一种多软件协同的大规模集成电路电磁热一体化设计方法

技术领域

本发明属于集成电路设计分析技术领域，涉及一种多软件协同的大规模集成电路电磁热一体化设计方法。

背景技术

以当前和未来的大数据应用、5G移动通信和正在萌发的6G移动通信需求来看，微纳电子正朝着超高频、超高速方向发展。但是，超高速大规模集成电路的元器件密度、工作速度以及集成电路规模不断增加，使得集成电路的能耗密度越来越大，导致芯片上温度越来越高，带来的电磁热耦合问题对集成电路的影响也日益严重。

在集成电路设计时，通常认为所有晶体管都处于同一环境温度，但实际上大规模集成电路中各晶体管的自热与热耦合效应会导致部分晶体管温度显著升高，同一芯片存在明显温度梯度。温度对集成电路电特性的影响不可忽视，分析清楚集成电路的电磁热耦合机理，在电路设计时就充分考虑集成电路热耦合对超高速大规模集成电路电性能的影响，对集成电路电热可靠性的准确评估，保证电路性能，减少芯片设计成本具有重要作用。

因此，如何解决针对现有集成电路设计未充分考虑大规模集成电路电磁热耦合对集成电路电性能影响成为了亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种多软件协同的大规模集成电路电磁热一体化设计方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种多软件协同的大规模集成电路电磁热一体化设计方法，包括以下步骤：

步骤1、获取集成电路中有源器件的模型参数；

步骤2、根据所述有源器件的模型参数得到所述有源器件的温度分布结果；

步骤3、根据集成电路的预设方向在所述有源器件的温度分布结果中得到所述预设方向的温度分布曲线，所述预设方向为集成电路中有源器件间热耦合最严重的方向；

步骤4、对所述预设方向的温度分布曲线进行函数拟合得到自热温升函数和耦合温升函数；

步骤5、获取所述集成电路中各个有源器件的功耗值；

步骤6、在所述集成电路的版图文件标注所述有源器件的器件编号和所述有源器件的功耗值；

步骤7、基于所述版图文件中有源器件的坐标、器件编号和功耗值的一一对应关系，利用所述自热温升函数和所述耦合温升函数分别计算得到所述有源器件的自热温升和热耦合温升；

步骤8、将电热耦合产生的热耦合温升加入所述集成路中再次进行仿真得到考虑了集成电路电热耦合效应后的仿真结果。

在本发明的一个实施例中，所述步骤2包括：

步骤2.1、基于所述有源器件的模型参数，使用COMSOL有限元分析软件构建所述有源器件的几何模型；

步骤2.2、对所述几何模型进行稳态热分析得到所述有源器件的温度分布结果。

在本发明的一个实施例中，所述步骤5包括：

步骤5.1、基于所述集成电路的原理图，使用ADS软件仿真所述集成电路；

步骤5.2、根据ADS软件仿真的所述集成电路得到所述集成电路中各个有源器件的功耗值。

在本发明的一个实施例中，所述步骤6包括：

步骤6.1、在所述集成电路的版图文件中删除除所述有源器件的发射极的其余版图信息；

步骤6.2、在只保留所述有源器件的发射极的版图文件的发射极内分别标注所述有源器件的器件编号和所述有源器件的功耗值。

在本发明的一个实施例中，所述步骤7包括：

步骤7.1、在所述版图文件中提取所述有源器件的坐标；

步骤7.2、在所述版图文件中提取所述有源器件的器件编号，并与所述有源器件的发射极的坐标一一对应；

步骤7.3、在所述版图文件中提取所述有源器件的功耗值，并与所述有源器件的发射极的坐标一一对应；

步骤7.4、基于坐标、器件编号和功耗值一一对应后的所述有源器件，利用所述自热温升函数和所述耦合温升函数分别计算得到所述有源器件的自热温升和热耦合温升。

在本发明的一个实施例中，所述步骤7.1包括：

步骤7.11、在DXF文件中的VERTEX字符下面分别查找所述有源器件的坐标，所述坐标包括X轴坐标和Y轴坐标；

步骤7.12、将所述有源器件的x轴坐标和y轴坐标对应赋值给矩阵dx和矩阵dy；

步骤7.13、在所述矩阵dx和所述矩阵dy中分别找到第i列的最大值和最小值，以得到rux(i)、ruy(i)、lux(i)、luy(i)，其中，1≤i≤N，N为所述矩阵dx和所述矩阵dy的列，且N为所述有源器件的数量，rux(i)为第i列的x轴坐标的最大值，ruy(i)为第i列的y轴坐标的最大值，lux(i)为第i列的x轴坐标的最小值、luy(i)为第i列的y轴坐标的最小值。

在本发明的一个实施例中，所述步骤7.2包括：

步骤7.21、在DXF文件中的HersheyRomanNarrow字符下面分别查找所述有源器件的器件编号的x轴坐标、y轴坐标和器件编号，并将所述x轴坐标、所述y轴坐标和所述器件编号分别赋值给pscx、pscy和sc；

步骤7.22、判断是否同时满足第一预设条件，若是，则把sc赋值给有源器件编号矩阵sc08(i)，若否，则将i+1，直至满足第一预设条件，以使所述有源器件的器件编号与所述有源器件的发射极的坐标一一对应，所述第一预设条件为pscx≥lux(i)、pscx≥rux(i)、pscy≥luy(i)和pscy≥ruy(i)。

在本发明的一个实施例中，所述步骤7.3包括：

步骤7.31、在DXF文件中的Agency FB字符下面分别查找所述有源器件的功耗值的x轴坐标、y轴坐标和功耗值，并将所述x轴坐标、所述y轴坐标和所述功耗值分别赋值给px、py和power；

步骤7.32、判断是否同时满足第二预设条件，若是，则把power赋值给有源器件功耗矩阵p(i)，若否，则将i+1，直至满足第二预设条件，以使所述有源器件的功耗值与所述有源器件的发射极的坐标一一对应，所述第二预设条件为px≥lux(i)、px≥rux(i)、py≥luy(i)和py≥ruy(i)。

在本发明的一个实施例中，所述步骤7.4包括：

步骤7.41、令器件编号为i的有源器件的初始环境温度T

步骤7.42、基于坐标距离公式，根据器件编号为i的有源器件的中心点坐标和器件编号为k的有源器件的中心点坐标计算距离x(k)，其中，i≠k；

步骤7.43、将有源器件k的功耗值p

在本发明的一个实施例中，所述步骤8包括：

步骤8.1、基于Sentaurus软件建立所述有源器件的电热耦合数值仿真模型；

步骤8.2、对电热耦合数值仿真模型进行仿真分析得到所述有源器件电学特性随温度变化的关系；

步骤8.3、根据所述集成电路中所述有源器件的热耦合温升和所述有源器件电学特性随温度变化的关系，计算在温度升高后所述有源器件的电学特性的漂移，确定热耦合温升后所述有源器件的工作偏置状态；

步骤8.4、改变所述有源器件的工作偏置状态，对所述集成电路的电特性重新进行仿真得到的仿真结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1)本发明通过使用有限元软件及MATLAB软件，利用大规模集成电路热分析算法，精确提取出集成电路中各个有源器件的自热效应及耦合温升，与传统热分析算法相比，能够精确提取出器件工作状态下的自热温升值与电磁热耦合效益带来的热耦合温升值，分析更细致，精度更高。

2)本发明将在MATLAB编程中计算得到的集成电路准确的热耦合温升值，并在大规模集成电路设计时充分考虑到电热耦合效应对集成电路电特性的影响，相比于不考虑热耦合效应的设计过程，更符合实际情况，能够有效减小集成电路设计误差。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种多软件协同的大规模集成电路电磁热一体化设计方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种在进行集成电路版图信息标注时的格式的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种考虑集成电路电磁热耦合效应后集成电路结果的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

本发明的目的在于针对现有集成电路设计未充分考虑大规模集成电路电磁热耦合效应对集成电路电性能影响的问题，提供一种在超大规模集成电路设计阶段就能够快速、高效的得到集成电路中精确的温度分布，并将热耦合温升加入集成电路电性能设计分析中，从而实现在大规模集成电路设计时就考虑电热耦合带来的非均匀温度分布影响的方法。

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种多软件协同的大规模集成电路电磁热一体化设计方法的流程示意图。为实现上述目的，本发明提供一种多软件协同的大规模集成电路电磁热一体化设计方法，该大规模集成电路电磁热一体化设计方法包括步骤1～步骤8，其中：

步骤1、获取集成电路中有源器件的模型参数。

具体地，利用厂商给定的工艺库文件，获取集成电路中所使用的有源器件的模型参数，模型参数包括器件的结构参数和物理参数，该有源器件如为InP HBT(磷化铟异质结双极晶体管)器件，根据所使用的InP HBT工艺库文件，获取有源器件的模型参数，包括有源器件的结构参数(有源区、衬底尺寸等)及物理参数(有源器件的材料、掺杂等)。

步骤2、根据有源器件的模型参数得到有源器件的温度分布结果。

在一个具体实施例中，步骤2具体包括步骤2.1～步骤2.2，其中：

步骤2.1、基于有源器件的模型参数，使用COMSOL有限元分析软件构建有源器件的几何模型；

步骤2.2、对几何模型进行稳态热分析得到有源器件的温度分布结果。

具体地，根据有源器件的模型参数，使用有限元分析软件COMSOL构建有源器件的几何模型，并对该几何模型进行有限元网格划分，通过加载功耗和施加边界条件进行稳态热分析以得到有源器件的温度分布结果，该温度分布结果为有源器件表层温度沿器件各个方向的温度分布情况，边界条件例如为设定衬底背面温度为环境温度，有源器件其它面绝热。

步骤3、根据集成电路的预设方向在所述有源器件的温度分布结果中得到所述预设方向的温度分布曲线，所述预设方向为集成电路中有源器件间热耦合最严重的方向。

具体地，根据工艺库的设计规则，可以确定集成电路的有源器件的排布情况，从而可以得到相邻两个有源器件的发射极的中心之间的距离，而一般当相邻两个有源器件的发射极的中心之间的距离大于某一阈值时，可以任选一个方向作为热耦合最严重的方向，当某相邻两个有源器件的发射极的中心之间的距离小于该阈值时，则将这两个有源器件的发射极的中心的连线方向作为热耦合最严重的方向，阈值例如为5μm，在预设方向确定后，便可以直接在步骤2所得到的温度分布曲线中提取热耦合最严重的方向对应的温度分布曲线，并将该热耦合最严重的方向的温度分布曲线用csv文件输出，例如HBT器件为非对称结构，热耦合最严重的方向为没有靠近集电极的X方向。

步骤4、对预设方向的温度分布曲线进行函数拟合得到自热温升函数和耦合温升函数。

具体地，使用MATLAB软件对单个有源器件的温度分布曲线进行拟合。打开MATLAB软件，将步骤3得到的csv文件导入，打开cftool工具，把有源器件的温度分布曲线温度分布T(x

其中，T(x

步骤5、获取集成电路中各个有源器件的功耗值。

在一个具体实施例中，步骤5具体包括步骤5.1～步骤5.2，其中：

步骤5.1、基于集成电路的原理图，使用ADS软件仿真集成电路；

步骤5.2、根据ADS软件仿真的集成电路得到集成电路中各个有源器件的功耗值。

具体地，在电路仿真软件ADS中打开需要进行电热分析的电路原理图，利用ADS软件对集成电路中各个有源器件进行分析，以得到集成电路中各个有源器件的功耗值。

步骤6、在集成电路的版图文件标注有源器件的器件编号和有源器件的功耗值。

在一个具体实施例中，步骤6具体包括步骤6.1～步骤6.2，其中：

步骤6.1、在集成电路的版图文件中删除除所述有源器件的发射极的其余版图信息；

步骤6.2、在只保留有源器件的发射极的版图文件的发射极内分别标注所述有源器件的器件编号和有源器件的功耗值。

具体地，在版图文件上标注有源器件的功耗值和器件编号。对于HBT器件，集电结处即为发热区域，发射极的面积即为集电结面积。打开集成电路的版图文件，只留下有源器件的发射极，将其余版图信息全都删掉；然后在发射极内使用两种文本格式分别标注有源器件的功耗值和器件编号。请参见图2，为了在热分析时能够明确区分出读取到的信息是有源器件的器件编号还是有源器件的功耗值，可以使用不同格式的字体标注有源器件的器件编号和功耗值，例如对有源器件的器件编号进行标注时，使用的字体是“HersheyRomanNarrow”，对有源器件的功耗值进行标注时，使用的字体是“Agency FB”。

步骤7、基于版图文件中有源器件的坐标、器件编号和功耗值的一一对应关系，利用自热温升函数和耦合温升函数分别计算得到有源器件的自热温升和热耦合温升。

在一个具体实施例中，步骤7具体包括步骤7.1～步骤7.4，其中：

步骤7.1、在版图文件中提取有源器件的坐标。

步骤7.11、在DXF文件中的VERTEX字符下面分别查找有源器件的坐标，坐标包括X轴坐标和Y轴坐标；

步骤7.12、将有源器件的x轴坐标和y轴坐标对应赋值给矩阵dx和矩阵dy；

步骤7.13、在矩阵dx和矩阵dy中分别找到第i列的最大值和最小值，以得到rux(i)、ruy(i)、lux(i)、luy(i)，其中，1≤i≤N，N为矩阵dx和矩阵dy的列，且N为有源器件的数量，rux(i)为第i列的x轴坐标的最大值，ruy(i)为第i列的y轴坐标的最大值，lux(i)为第i列的x轴坐标的最小值、luy(i)为第i列的y轴坐标的最小值。

具体地，将版图文件从ADS软件中导出，格式为DXF文件，定义一个变量i＝1，定义dx和dy两个矩阵，dx和dy用来存放读取到的有源器件的发射极的坐标信息，如有源器件为HBT器件，其为一个六边形，所以有6个顶点坐标，对应的矩阵dx和dy含有6行、N列，N为集成电路版图中的有源器件的数量，且1≤i≤N，然后在DXF文件查找VERTEX字符，之后读取VERTEX字符下面的第7行，值赋给dx(1，i)，再读第8行，值赋给dy(1，i)，再读第9行，值赋给dx(2，i)；再读第10行，值赋给dy(2，i)，以此类推得到剩下4个顶点的横、纵坐标，然后找到有源器件左上和右下的边界坐标，即从dx和dy矩阵数据中找到最大值和最小值，分别对应存储到rux(i),ruy(i),lux(i),luy(i)。

步骤7.2、在版图文件中提取有源器件的器件编号，并与有源器件的发射极的坐标一一对应。

步骤7.21、在DXF文件中的HersheyRomanNarrow字符下面分别查找有源器件的x轴坐标、y轴坐标和器件编号，并将x轴坐标、y轴坐标和器件编号分别赋值给pscx、pscy和sc；

步骤7.22、判断是否同时满足第一预设条件，若是，则把sc赋值给有源器件编号矩阵sc08(i)，若否，则将i+1，直至满足第一预设条件，以使有源器件的器件编号与有源器件的发射极的坐标一一对应，第一预设条件为pscx≥lux(i)、pscx≥rux(i)、pscy≥luy(i)和pscy≥ruy(i)。

具体地，在DXF文件查找HersheyRomanNarrow字符，然后读取HersheyRomanNarrow字符下面的第17行得到有源器件的器件编号的x轴坐标，值赋给pscx；再读第18行得到有源器件的器件编号的y轴坐标，值赋给pscy；再读第29行得到有源器件的器件编号，值赋给sc。

定义变量i＝1，判定是否同时满足pscx≥lux(i),pscx≥rux(i),pscy≥luy(i),pscy≥ruy(i)这四个条件，若满足，则把sc值赋给器件编号矩阵sc08(i)；否则，将i+1，直到i＝n，找到满足第一预设条件的值，再对应将满足第一预设条件的sc值对应赋给器件编号矩阵sc08(i)。

这里pscx、pscy定义为有源器件的器件编号在版图文件上的坐标，每读取到一个有源器件编号的文本，就把器件编号的坐标和发射极顶点坐标作对比，直到有源器件的器件编号文本的坐标落在发射极的四个顶点之间为止，则认为有源器件的器件编号信息和有源器件进行了对应。

步骤7.3、在版图文件中提取有源器件的功耗值，并与有源器件的发射极的坐标一一对应。

步骤7.31、在DXF文件中的Agency FB字符下面分别查找所述有源器件的功耗值的x轴坐标、y轴坐标和功耗值，并将所述x轴坐标、所述y轴坐标和所述功耗值分别赋值给px、py和power；

步骤7.32、判断是否同时满足第二预设条件，若是，则把power赋值给有源器件功耗矩阵p(i)，若否，则将i+1，直至满足第二预设条件，以使所述有源器件的功耗值与所述有源器件的发射极的坐标一一对应，所述第二预设条件为px≥lux(i)、px≥rux(i)、py≥luy(i)和py≥ruy(i)。

具体地，在DXF文件查找Agency FB字符，然后读取Agency FB字符下面的第17行得到有源器件的功耗值的x轴坐标，值赋给px；再读第18行得到有源器件的功耗值的y轴坐标，值赋给py；再读第29行得到有源器件的功耗值，值赋给power。

定义变量i＝1，判定是否同时满足px≥lux(i),px≥rux(i),py≥luy(i),py≥ruy(i)这四个条件，若满足，则把power值赋给功耗矩阵p(i)；否则，将i+1，直到i＝n，找到满足第二预设条件的sc值，再对应将满足第二预设条件的sc值对应赋给有源器件编号矩阵sc08(i)。

此时完成有源器件位置、有源器件功耗与有源器件编号的一一对应。

步骤7.4、基于坐标、器件编号和功耗值一一对应后的有源器件，利用自热温升函数和耦合温升函数分别计算得到有源器件的自热温升和热耦合温升。

步骤7.41、令器件编号为i的有源器件的初始环境温度T

步骤7.42、基于坐标距离公式，根据器件编号为i的有源器件的中心点坐标和器件编号为k的有源器件的中心点坐标计算距离x(k)，其中，i≠k；

步骤7.43、将有源器件k的功耗值p

具体地，令器件编号为i的有源器件的初始环境温度T

计算其它所有有源器件对器件编号为i的有源器件因热耦合的温升值，把器件编号为i的有源器件的中心点坐标cenx(i)、ceny(i)和其它器件编号为k的有源器件的中心点坐标cenx(k)、ceny(k)代入坐标距离公式

步骤8、将电热耦合产生的热耦合温升加入所述集成路中再次进行仿真得到考虑了集成电路电热耦合效应后的仿真结果。

在一个具体实施例中，步骤8具体包括步骤8.1～步骤8.4，其中：

步骤8.1、基于Sentaurus软件建立有源器件的电热耦合数值仿真模型；

步骤8.2、对电热耦合数值仿真模型进行仿真分析得到有源器件电学特性随温度变化的关系；

步骤8.3、根据集成电路中有源器件的热耦合温升和有源器件电学特性随温度变化的关系，计算在温度升高后有源器件的电学特性的漂移，确定热耦合温升后有源器件的工作偏置状态；

步骤8.4、改变有源器件的工作偏置状态，对集成电路的电特性重新进行仿真得到的仿真结果。

具体地，基于Sentaurus软件建立准确的有源器件的电热耦合数值仿真模型，通过仿真分析得到有源器件的电学特性随温度变化的关系，本实施例通过对HBT器件进行仿真，当环境温度每升高10K时，该HBT器件的集电极电流增益减少1.5％；根据步骤7所得到的集成电路各个有源器件的热耦合温升和有源器件的电学特性随温度变化的关系，计算温度升高后器件电学特性的漂移，即当环境温度改变后，有源器件的集电极电流增益的变化量，从而可以确定热耦合温升后有源器件的工作偏置状态；改变有源器件的的工作偏置状态，重新仿真集成电路的电特性，此时得到的仿真结果就是考虑了大规模集成电路电热耦合效应后集成电路的特性。例如在室温下器件所加偏置电压为3V时，器件的输出电流为100μA，当由于集成电路电热耦合使环境温度升高后，同样的偏置电压下，器件的输出电流减小为90uA，此时则可以通过改变该器件偏置电路上偏置电阻的阻值，改变工作偏置状态，以减小电流，图3为考虑集成电路电磁热耦合效应后集成电路的结果。

本实施例在得到有源器件的耦合温升(器件工作的内环境温度)后，此时有源器件实际的工作温度＝应用环境温度+热耦合温升。此时有源器件的工作环境温度上升，温度的升高会导致器件特性发生退化。根据有源器件特性与环境温度的关系，电路仿真时，将热耦合效应对有源器件特性的变化转换为温度引起的有源器件静态工作点的漂移，确定热耦合后有源器件的工作点。然后将步骤7中得到的电热耦合效应对各个有源器件的工作特性影响加入集成电路仿真原理图中，最终得到考虑了集成电路热耦合效应的非均匀温度分布的集成电路设计结果。

本发明通过使用有限元软件及MATLAB软件，利用大规模集成电路热分析算法，精确提取出集成电路中各个有源器件的自热效应及耦合温升，与传统热分析算法相比，能够精确提取出器件工作状态下的自热温升值与电磁热耦合效益带来的热耦合温升值，分析更细致，精度更高。

本发明将在MATLAB编程中计算得到的集成电路准确的热耦合温升值，并在大规模集成电路设计时充分考虑到电热耦合效应对集成电路电特性的影响，相比于不考虑热耦合效应的设计过程，更符合实际情况，能够有效减小集成电路设计误差。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。