IC 後端執行專家
2026年2月28日8 分鐘閱讀
Case Study

SMIC 40nm IoT SoC:Multi-Voltage Domain Backend 與 MPW Shuttle Coordination

SMIC 40nm IoT connectivity SoC 三獨立 power domain 的 backend engineering 複盤。基於 UPF 的 implementation、voltage-aware signoff 與排程管理。

背景說明

01專案背景

一顆面向低功耗常開運行、含突發模式射頻發送的 IoT 連接 SoC。三個獨立電源域,使用不同供電軌,各有上電時序要求和保持需求。

設計採用 SMIC 40nm LP(低功耗)製程版本。三個電壓域:1.1V 常開感測器管理域、帶電源門控的 1.0V 主處理域,以及運行在不同供電軌的 1.8V IO/RF 介面域。

客戶已有一個確定的 SMIC MPW shuttle 槽位,距截止日期 14 週。後端介入時,前端已提供功能驗證過的網表和一份從未經過物理實現驗證的 UPF 檔案。

實現風險

02多電壓域挑戰

40nm 多電壓域實現引入了單電源設計不具備的物理與驗證複雜度。以下是介入初期識別出的具體風險。

  • 電平轉換器佈局

    從 1.0V 域到 1.8V IO 域(及反向)的每個訊號均需插入電平轉換器。UPF 在邏輯層面定義了電平轉換器的插入位置,但未規定物理佈局,導致域邊界處存在走線擁塞風險。

  • 隔離單元行為

    電源門控域需要隔離單元,以在該域關斷時將輸出箝位到確定狀態。隔離極性錯誤或輸出路徑遺漏隔離,會在上電過程中產生 X 態傳播——標準 STA 無法捕獲的功能失效。

  • 物理層上電時序

    UPF 定義了邏輯上電順序,但物理電源網格必須支撐時序過程中的浪湧電流特徵,確保上電期間不發生 IR drop 違例——這是靜態 signoff 無法覆蓋的動態驗證關注點。

  • 電壓感知 STA

    標準時序分析在單一電源下運行。面對三條供電軌,跨域路徑需要對發送端和捕獲端觸發器採用不同電源假設——需要明確配置多電源 STA。

後端執行

03實現策略

我們將多電壓域約束作為一級需求,從平面規劃到 signoff 全程貫徹。

  1. 01
    域感知平面規劃
    在任何佈局之前,先在平面規劃中確定電源域邊界。將 1.8V IO 環置於 die 外圍以縮短電平轉換器走線距離。電源門控域的電源開關集中佈置在域邊界附近,以高效引出控制走線。
  2. 02
    電平轉換器預佈局
    在標準單元佈局之前,在域交叉點預先放置電平轉換器。這避免了佈局器產生繞行走線,確保交叉訊號擁有專用佈線通道。
  3. 03
    UPF 驅動隔離驗證
    在物理實現前執行形式化 UPF 一致性檢查。發現三處 UPF 隔離規範存在歧義——在造成物理返工前與前端團隊完成修正。
  4. 04
    各域獨立電源網格
    每個域獲得獨立佈線的電源網格,網格密度目標根據各域功耗分析單獨計算。常開域網格密度高於電源門控域,以支持持續運行。
  5. 05
    多電源 STA 配置
    在 PrimeTime 中為每個域配置獨立電源規格。跨域路徑以最差情況電源組合進行時序分析:setup 以發送域低電壓、捕獲域高電壓為準,hold 則反向。

04電壓感知 Signoff

標準 signoff 檢查不足以覆蓋多電壓設計。我們在每個階段運行涵蓋電源域感知檢查的擴展驗證序列。

UPF 與物理一致性
形式化驗證:確認 UPF 中每個邏輯域邊界在物理網表中正確體現——電平轉換器存在且方向正確、隔離單元到位、電源開關連接正確。
動態功耗分析
各域無向量動態功耗分析,驗證上電時序期間的 IR drop。1.0V 主域在初始上電期間顯示 8% 電壓跌落——透過調整 UPF 中電源開關導通時序解決。
保持單元驗證
常開域包含用於主域斷電期間狀態保持的保持觸發器。物理驗證確認保存/恢復控制走線正確,並滿足保持協議的時序要求。
跨域路徑覆蓋
在 STA 中為所有跨域訊號設置明確路徑組,確認所有路徑具有一致的多電源時序模型。初始有 14 條路徑被標記為建模有誤——全部在 signoff 前修正。
ICC 執行

05SMIC MPW Shuttle 協調

SMIC MPW shuttle 調度有特定資料包要求和嚴格截止視窗。我們作為範圍的一部分,直接與 SMIC 對接 ICC 提交流程。

  • SMIC 設計規則合規

    運行包含電源開關單元和保持觸發器 LP 專項檢查的 SMIC 40nm Calibre DRC 規則集。在電源開關 tap 單元中發現兩個 DRC 違例——與 SMIC 設計團隊協調,透過單元級 ECO 解決。

  • MPW Die 面積驗證

    在資料凍結前確認 die 面積在分配的 MPW 槽位尺寸範圍內。SMIC 要求 ICC 提交中包含精確的 die 邊界座標——已對照 shuttle 分配檔案核驗。

  • 多電壓 LVS

    採用電源域感知比較進行 LVS。標準 LVS 不驗證跨域邊界的電源連接。使用 SMIC 認證的多電源 LVS 配置,確認所有電源連接均正確表示。

  • ICC 資料包與提交

    組裝 SMIC MPW ICC 資料包:GDS、LVS 網表、DRC 報告、功耗分析摘要和 shuttle 調查表。在 SMIC 資料凍結前 8 天提交。SMIC 確認接收,無工程查詢。

06結果

首次 tapeout 成功。三個電源域全部按上電時序正確工作。IoT 連接功能在矽片上驗證通過。

首次 Tapeout 成功
所有電源域按時序正確上電。無隔離或電平轉換器故障。保持狀態在電源切換過程中正確保留。
MPW Shuttle 按期
ICC 提交在截止日期前 8 天完成。對 SMIC MPW 槽位無任何進度風險——對於共享 wafer 和客戶承諾的交付日期而言至關重要。
功耗性能確認
常開域矽片實測功耗與仿真目標偏差在 5% 以內。電源門控域漏電按規格確認。

07多電壓域後端經驗總結

多電壓域實現引入的驗證複雜度隨域數量增加而疊加。以下原則適用於 40nm 及以下任何基於 UPF 的設計。

物理實現前先消除 UPF 歧義
物理實現前的形式化 UPF 一致性檢查可避免物理返工。物理實現階段發現的歧義隔離規範需要前端變更——代價高昂且威脅進度。
平面規劃時優先確定域邊界
電源域邊界必須在標準單元佈局之前完成平面規劃。佈局後的追溯性域邊界調整會引發嚴重擁塞和時序擾動。
上電期間的動態 IR Drop
靜態 IR 分析無法覆蓋上電浪湧。在 40nm,電源開關配置和導通時序需要明確的動態分析——上電期間的電壓跌落可能導致靜態 signoff 中不可見的功能失效。
MPW Shuttle 截止日期不可更改
SMIC MPW shuttle 資料凍結是硬性截止。SMIC 工程查詢回應時間(通常每次 48–72 小時)必須納入 ICC 排期規劃,而非作為應急預備時間。

多電壓域設計準備 tapeout?

我們在 SMIC 40nm 交付過 UPF-based 多域 SoC,含 voltage-aware signoff 與 MPW coordination。提交您的 scope — 我們檢視可行性。

References

  1. [1]
    SMIC 40nm 製程技術
    SMIC 積體電路製造有限公司
  2. [2]
  3. [3]