מאת: Haim Cohen, Freescale
עלייתו של IBIS
IBIS הוא שם בקיצור של “מפרט נתונים
לחוצץ כניסות/יציאות” (I/O Buffer Information Specification). למעשה זהו מפרט טכני עבור תבנית נתונים שמציגה את ההתנהגות האנלוגית של חוצצי כניסות/יציאות שונים. עם הצורך בהדמיות SI נרחבות עבור חוצצי כניסות ויציאות במהירות גבוהה, נוצרה דרישה גוברת להתבוננות מעבר לשיטה הרגילה של ההדמיות, באמצעות מודלים של SPICE. הניסוי שנעשה על ידי Intel, והיה כרוך בשימוש במודלים של חוצצים מבוססי עקומות I-V עבור הדמיות, הפך להצלחה אדירה. ואולם, מאחר שהמשתמשים השתמשו בכלים שמקורם אצל ספקים שונים, סיכמו ביניהם כמה ספקים של כלי EDA על שימוש בתבנית משותפת של מודל התנהגות בלתי תלוי בכלים. כך נוצר הפורום הפתוח של מפרט (IBIS Open Forum), ומאז גרסאות רבות של IBIS הפכו לסטנדרט, כאשר הגרסה האחרונה היא IBIS 5.0 שיצאה לשוק באוגוסט 2008.
פרטים על אודות IBIS
נתבונן לרגע כיצד הנתונים של החוצץ (וכאן נעסוק רק בחוצצי CMOS) עוברים המרה למודל בתבנית IBIS. מאגר מסוג CMOS
ב-IBIS עובר שינוי כמו אבני הבנייה הבאות.
כפי שמתקבל על הדעת ליצור מודל מסוג CMOS באמצעות קצבי קצה ועקומות I-V, היה די באבני הבנייה הבסיסיות שלעיל כדי ליצור את המודל של חוצצים, על אף שבשלבים מאוחרים יותר פריטים חדשים רבים נוספו אל המודל של IBIS. באיור שנראה לעיל, הבלוק השמאלי ביותר הוא הבלוק הלוגי שמבצע את הבקרה על הבלוקים האחרים הנותרים, על מנת להעביר את החוצץ למצב כניסה, מצב דחיפה גבוה או מצב דחיפה נמוך או למצב אימפדאנס גבוה (tri-state). כפי שנראה באיור, מודל IBIS הבסיסי מורכב מארבע עקומות I-V, משני מספרי שיפועים (ramp) (עקומות V-t), מהקיבול של השבב וממודל של המארז.
המודל של ארבע עקומות I-V, מבני החיבור לרמה גבוהה (pull up) ולרמה הנמוכה (pull down) ואופייני הריתוק (clamp) למתח והריתוק להארקה המשויכים להם.
השיפוע מעלה והשיפוע מטה מספקים את עקומות V-t עבור קצבי השפה, הן קצב העלייה והן קצב הירידה, בזמן המיתוג.
קיבול השבב הוא הערך של כל הקיבולים המסוכמים, כאשר אנו בוחנים את רפידת השבב.
המודלים של המארז מתארים את הערכים הפרזיטיים של המארז.
במעגל חוצץ מסוג CMOS מבנה החיבור לרמה הגבוהה ממומש בדרך כלל באמצעות טרנזיסטור pMOS ומבנה חיבור לרמה הנמוכה ממומש בטרנזיסטור nMOS. במקרה של עקומת I-V בחיבור לרמה הנמוכה, מתח הייחוס יהיה ייחוס הרמה הנמוכה, ההארקה – GND. ואולם, כאשר עוברים לעקומת I-V של החיבור לרמה הגבוהה, מתח הייחוס יהיה ייחוס לרמה הגבוהה, מתח האספקה- Vdd, כלומר, מתח הספק, ואין כל היגיון שעקומת I-V של הרמה הגבוהה תהיה מיוחסת למתח ההארקה מאחר שמתחי Vgs ו-Vds אינם מיוחסים לפוטנציאל של ההארקה. עקומות I-V של מבני החיבור לרמה הגבוהה המיוחסים למתח Vdd ושל מבני החיבור לרמה הנמוכה המיוחסים להארקה (GND) הן סימטריות לחלוטין. נוסף על כך, כאשר מופיע רעש במתח האספקה, מערכת ההדמיה אינה נדרשת לחשב מחדש את המתחים המיוחסים להארקה ביחס למתח האספקה המשתנה.
למעגל חוצץ יש בדרך כלל שלושה מצבי פעולה, בהם נכללים מצב כניסה, מצב דחיפה של רמה גבוהה ומצב דחיפה של רמה נמוכה. מודל IBIS של חוצץ מורכב מעקומות I-V עבור כל שלושת המצבים. אם כך, מה בדיוק כוללות עקומות I-V עבור כל אחד מהמצבים?
מצב כניסה: מצב זה כולל את כל מה שנמצא באופן קבוע במצב גבוה (ON) כאשר הוא לא דוחף, כמו למשל, הזרם האופייני של דיודות פרזיטיות, מעגלי הגנת ESD, סיומת ODT או נגדי חיבור לרמה גבוהה/לרמה נמוכה וכיו”ב.
מצב דחיפה: בנוסף לכל האמור לעיל, מצב דחיפה כולל את הזרם שמועבר באופן דינמי למצב פועל (ON) ולמצב כבוי (OFF). בכך נכללים מבני החיבור של הזרם לרמה הגבוהה ולרמה הנמוכה, וכן, כל מבני המיתוג הדינמי האחרים.
ראוי לשים לב, שקומות I-V מכילות כבר במצב הדחיפה את הזרם הסטטי שקיים במצב הכניסה. כך, על מנת להימנע מחזרה, אסור שטבלאות [Pullup/pulldown] (חיבור לרמה גבוהה וחיבור לרמה נמוכה) של IBIS יכילו מידע שקיים כבר בטבלאות [Power Clamp] (ריתוק למתח) ו-[GND Clamp] (ריתוק להארקה) כלומר, יש לבצע חיסור בין שתי המדידות לפני שמציבים את הנתונים בטבלאות [Pullup/pulldown].
בתוך מודל IBIS מוסיפים את תופעות המעבר של מעגל חוצץ, באמצעות מילת מפתח, כגון [Ramp] (שיפוע) ו-[*Waveform] (צורת גל). היא מכילה מידע לגבי הקצב בשפת העלייה, כלומר, באיזו מהירות טרנזיסטורי החיבור לרמה הגבוהה וטרנזיסטורי החיבור לרמה הנמוכה עוברים לפעולה ולכיבוי (on/off). כאשר עורכים את הנתונים בטבלאות אלו, השפעות המארז לא נלקחות בחשבון. עם זאת, אי אפשר שלא להתחשב בהשפעות הקיבול של השבב, C_Comp, מפני שהחיבור C_Comp הוא חלק בלתי נפרד ממודל החוצץ. מאחר שנתוני [Ramp] ו-[*Waveform] כוללים כבר את ההשפעות הפרזיטיות של קיבול השבב, אסור שמערכות ההדמיה יטענו את מודל החוצץ עם קיבול C_Comp, אך עם זאת, הקיבול C_Comp חייב להימצא במודל, מאחר שבעקומות I-V לא נכלל מודל של השפעות הקיבוליות (dV/Dt). למערכות הדמיה יש אלגוריתם מיוחד שמיועד למנוע לקיחה כפולה בחשבון של הקיבול C_Comp כלומר, לבטל את הטעינה שלו, בטבלאות [Ramp] או [* Waveform] תוך כדי שמירה על הצגתו בעת בחינה של מודל החוצץ מבחוץ.
התכולה והמבנה של קובץ IBIS
קובץ IBIS מתחיל בחלק של הכותרת, שפרטיו מוצגים במבנה העץ של איור 2.
גם כאן, הטווח של העקומות I-V מתבסס על תיאוריית קווי התמסורת, לכן, הוא אמור להתפרש מ-Vdd עד *2+. עם זאת, בטבלאות הריתוק I-V אין זה כך, במטרה למנוע לקיחה כפולה בחשבון. הן [GMD Clamp] וגם [Power Clamp] כוללים אותו מידע, למעט העובדה שהמדידות שבטבלה הראשונה מתבצעות ביחס להארקה (GND) והמדידות שבטבלה השנייה מתבצעות ביחד למתח. מכאן, [GND Clamp] מתפרשת בטווח בין – ועד +Vdd ו-[Power Clamp] מתפרשת בטווח שבין + Vdd לבין *2+. מפרט IBIS מגביל ל-100 את מספר נקודות הנתונים לכל טבלת I-V ול-1000 עבור כל טבלת V-t. ואולם, ניתן ליוצרי מודלים החופש לבחור בכל 100 נקודות שהן, המתאימות בצורה הטובה ביותר לתיאור הצורה של העקומה, כלומר, הפיזור האחיד של הנקודות על פני ציר X אינו בבחינת חובה.
קובץ IBIS יכול לכלול מידע לגבי יצירת מודל עבור התקנים או רכיבים מרובים, כאשר כל אחד מהם מתחיל במילת המפתח [Component] (רכיב). לכל רכיב יש נתונים לגבי המארז שלו, שקיימים יחד עם פריטים מתקדמים מסוימים כגון, [Model Selector] (בורר מודלים), ייחוס פינים הפרשי וכיו”ב. נתוני המודל מתארים באופן נבדל כל אחד מהמצבים של החוצץ. כמו כן, אפשר לשלב מודלים של ספקים שונים בתוך אותו קובץ IBIS, וליצור בכך מודל של מערכת עם ריבוי של רכיבים. אי לכך, יכולות להיווצר חזרות רבות על נתוני מארזים, על [Model Selector] (בורר מודלים) וכיו”ב.
מדוע כדאי לנו לבחור ב-IBIS?
אנו ממליצים להשתמש במודלים של IBIS בכל מקום שאפשר. לעתים קרובות, אפשר להוריד בחינם מודלים של IBIS עבור התקנים רבים. השימוש ב-IBIS מספק את הדברים הבאים:
הדמיה במהירות גבוהה יותר.
מגוון רחב של קלט ופלט בקובץ IBIS יחיד, כך שאפשר לבצע בקלות הדמיה של מערכת.
הכללה של מפרטי שלמות אותות, כגון נקודות סף בכניסה של הלוגיקה, נקודות של עליית יתר (overshoot) וכיו”ב.
ביטול של נקודות אי התכנסות (non conversions).
תמיכה חזקה מכל ספקי מערכות EDA כמעט.
תאימות לאחור עם מודלים שנוצרו בתקני IBIS קודמים.
IBIS לעומת SPICE
מודלים של IBIS הם מודלים התנהגותיים שמתארים את הפרמטרים החשמליים, כפי שהם נראים בנקודות החיבור שלהם. במהותו זה מודל קופסה שחורה, אשר אינו חושף כל מידע פנימי, בניגוד למודלים של SPICE, שהם מודלים מבניים. המודלים של IBIS אנלוגיים ליצירת מודלים של פרמטרי S עבור חיבורים פנימיים. מצד שני, מודלים של SPICE, שהם מודלים מבניים, מכילים כמות ראויה של נתונים. SPICE מכיל את תרשימי המעגלים המפורטים, לרבות קובץ העיבוד.
המלצות לפעולה
בעת השימוש במודלים של IBIS כדאי לשים לב לדברים הבאים.
ראוי לבדוק את התחביר של המודלים של IBIS באמצעות Golden Parser שאותו אפשר להשיג בחינם.
יש לציין את תנאי הפעולה, כדוגמת טמפרטורה, תהליך (מינימום, מקסימום וכיו”ב).
יש לכלול את כל הפרמטרים המשמשים, אם אפשר.
רצוי להשתמש במודל מהסוג האחרון עם הפרמטרים הקשורים אליו.