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。
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。
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。
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。
- 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。
- 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。
- 03UPF 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。
- 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。
- 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。
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。
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。
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]SMIC 40nm 製程技術SMIC 積體電路製造有限公司
- [2]IEEE 統一電源格式標準IEEE 標準協會
- [3]EUROPRACTICE 多專案 Wafer 服務 2025EUROPRACTICE IC 服务
