一種電子系統認證芯片的電源規劃

摘要：為了對所開發的電子產品進行保護，采用ASIC的方法設計基于硬加密技術的電子系統認證芯片。在后端物理設計中，為了使最終的芯片實現面積優化且滿足功耗、時序等要求，采用預設計的方法對芯片進行功耗預估與布線擁塞分析。根據分析結果提高了芯片利用率，并針對預設計中存在的電壓降(IR Drop)違規進行了詳細的電源規劃，包括全局電源網絡的連接、電源環和電源條的設計，最終滿足了功耗要求，實現了時序收斂以及面積優化。
關鍵詞：系統認證；電源規劃；功耗分析；電壓降

0 引言
為了防止所研發的電子產品被非法克隆，一種有效的方法是采用硬加密技術對電子產品進行保護。硬加密技術是指依賴特定的硬件實現系統保護，主機需要訪問相應的硬件進行認證后才能正常工作，具有抗解密強度高，穩定性和兼容性好等優點。
本文所研究的電子系統認證芯片是基于硬加密技術采用專用集成電路(ASIC)設計的方法來實現的。由于ASIC上有特殊算法，PCB和一些硬件可能被復制，但是無法復制ASIC的加密數據，保密性更強。該芯片采用RSA加密算法，它是非對稱密鑰密碼體制的代表，其安全性在于找到兩個大素數p和q比較容易；但目前沒有有效的方法從p和q的乘積N中分解出p和q。有專家建議，普通公司使用1 024位的密鑰就可以保證資料的安全性，因此該系統認證芯片采用密鑰為1 024位的RSA加密算法。
該電子系統認證芯片采用SMIC 0．18μm 6層金屬工藝，在SoC Eneounter平臺上進行物理設計。為了了解整個芯片的布線擁塞程度和功耗的大概情況，進行正式設計之前，對該芯片進行預設計；通過預設計的結果分析芯片的布線擁塞情況，并對布局布線后的功耗進行預估。在分析預設計的基礎上，針對預設計中存在的問題對芯片進行詳細的電源規劃，為整個芯片設計出一個合理的供電網絡，使最終的設計實現面積優化，并且滿足功耗、時序等要求。

1 功耗預估
預設計采用75％的利用率，對該電子系統認證芯片進行了粗略的布圖規劃，僅設計了寬度為10 μm的電源環。為了使芯片功耗的分析結果更接近實際，對該芯片進行了布局、時鐘樹綜合和詳細布線等步驟。在時序收斂的前提下，進行功耗分析，工作電壓VDD為1．8 V，得到芯片的總功耗為115．41 mW，包括開關功耗(Switehing Power)、內部功耗(Internal Power)和泄露功耗(Leakage Power)。但是芯片中存在IRDrop違規(即芯片中的電壓降超過了5％VDD)，如圖1所示，左上角的對話框中列出了存在IR Drop違規的地方，具體位置在版圖中的深色區域。一般情況下，5％的電壓降會增大10％～15％的線延遲，會產生時序違規，使芯片處于不正常的工作狀態，因此，需要在后續設計中進行詳細的電源規劃。

采用75％的利用率進行詳細布線后發現，版圖中的布線擁塞情況并不嚴重，Meta15和Meta16的布線資源均比較寬裕。一些研究表明，芯片成本與芯片面積的4次方成正比。為了降低成本，應盡可能減小芯片面積。經過反復嘗試之后，確定芯片的利用率為80％，芯片內核(Core)面積約為2．474 mm2，總面積約為3．5 mm2，比預設計時減小了約0．12 mm2。

2 電源規劃
在該電子系統認證芯片的預設計階段，存在IRDrop的違規，因此必須通過電源規劃來設計芯片的供電網絡，以消除IR Drop違規。電源規劃的總體步驟包括全局電源網絡的連接、電源／地Pad規劃、電源環的設計和電源條的設計。