2.数字芯片时序正确的前提—Max-transition

偷懒了许久，今天简单聊聊芯片时序中的一个基本但很重要的检查—Max-transition。

Max-transition属于DRC（Design Rule Checking，设计规则检查）中的项目，因此要保证没有违例。Max-transition从这个单词的意思看，最大过渡，从什么到什么的过渡呢。

我们知道，数字电路是0和1的组合，要依靠电路实现0与1，依靠的是电压的不同，例如电压为0伏时表现为0，电压为1伏时表现为1。这里只是简单的一个例子，实际电路中的电压会有很多情况。为了实现信息的传输，电路需要不断地在0与1之间切换，例如0101。这时候就需要通过电压的高低切换来实现信号的01切换。比如刚才的0101，就需要电压做出如下变换。

图1

看起来非常规整的波形对吧？电压的上升沿与下降沿都没有延迟一步到位。但这是理想而非现实，实际电路中电压的升降都需要经过一定的时间完成，如下图：

图2

信号从0-1需要经过一个Rise Time，1-0则需要经过一个Fall Time，这一段时间就是transition Time，过渡时间，也称作Slew（压摆）。一般情况下上升与下降的过渡时间是不同的。细心的朋友可能注意到，上升与下降时间并不是从电压的最低点计算到电压的最高点，而是从10%-90%。这主要是因为上面的图也是接近理想状况的，实际中的波形更加接近下图：

图3

与之前的理想transition相比，过渡过程的波形不再是一条直线，而是一条曲线，而这条曲线在接近两端的时候由于趋向最大（最小）电压，因此逐渐平缓，不容易判断何时达到最值。如果计算最高最低电压之间的过渡时间就会有比较大的误差。

我们也能看到在电压转换中间的波形是比较平直的，基本就是一条直线，用这段时间计算相对比较精确。因此在计算transition时通常都是选取转换过程中的一段时间计算，如10%-90%,20%-80%等，根据不同的单元库会有所差别，要确保两端的比例一致。这个值也可以在库中查到，如下图index_1。transition值要保持在这个范围内。

图4

 那么Max-transition为什么需要重点关注呢？

首先因为它是DRC中的项目，所以必须保证满足设计规则。此外，在检查时序时，需要计算不同cell之间的延迟，transition时间当然也会对延迟的计算产生影响，如果transition时间过长，那么cell的延迟会增加，而且如果超过了Max-transition的限制，时序的计算会失真，STA的结果也可能不准确，影响Setup，Hold的结果。因此Max-transition需要保证没有违例（violation）。

在进行PnR时，EDA工具中可以手动设置相应的Max-transition上限，如set_max_transition等，也可以读取库中的值。这样EDA会自动针对Max-transition进行优化，一般就是在时序路径上插入Buffer等，保证cell之间不会距离过远因此产生很大的transition，超过Max-transition的约束产生Violations。但如果设置的约束过于严格，也会让工具过度优化，插入更多的Buffer保证满足设定的约束，这会浪费面积，功耗等，因此不是越严越好。

如果PnR结束后的数据中依然存在Max-transition的违例，那么就得手动ECO修复了，现在也有一些EDA公司开发了一些自动ECO工具，比如Synopsys的某款ECO工具，如果芯片的尺寸比较大，频率比较高，可能Max-transition违例的数量也会比较多，利用自动ECO工具先修一遍，能够节省大量的时间。

那么，如何修复最后的Max-transition违例呢？Max-transition违例的产生主要是因为输出Cell的驱动能力不足，造成过渡波形平缓，因此修复时核心是让输出的Driver Cell相对输入的Receiver Cell有更强的驱动能力，这样上升下降沿就能够更加陡峭，需要的过渡时间也就更少。围绕这个核心，大家可以考虑考虑哪些情况下会产生Max-transition违例以及如何针对不同情况进行调整。关于违例的修复也有很多相关文章，可以进行参考，不过在此之前也可以先自己思考一下。

简单抛砖引玉，如果文章中有什么错误之处，欢迎指出，多多交流，谢谢。

参考资料：

1.ASIC Physical Design.Fix transition time violations:http://asicpd.blogspot.com/2012/08/how-to-fix-transition-time-violations.html

2.max transition violations:​​​​​​http://mantravlsi.blogspot.com/2014/06/max-transition-violations.html

3.西南交通大学信息科学与技术学院，邸志雄： 数字集成电路静态时序分析基础.

4.知乎，土豆土豆我是番茄​：数字后端知识点（6）-修复max_transition violation

最后

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