什么是串扰crosstalk

串扰是芯片后端设计中非常普遍的现象，它会造成逻辑信号的预期之外的变化。消除串扰的影响是后端的一个重要课题。

首先，什么是串扰？它是如何产生的？芯片的信号线之间会存在耦合电容，因此一条信号线的变化会影响周围的线（信号线之间的耦合电感一般可以忽略）。对于工程师来说了解这么多就可以了，不过这样的解释有点循环论证的感觉，因为耦合电容就是因为两端金属线互相影响而抽象出来的概念。最根本的原因就是一条信号线的跳变会造成周围空间电磁场的变化，而变化的电磁场会在周围的导线感应出电流。十几年前老的工艺可能还可以忽略寄生电容，现在的先进工艺下寄生电容已经到了万万不可忽略的地步了，不过对于电感好像还是不会过多考虑。

两段很近的导线发生串扰时，假设一段导线从0跳变为1，会影响另一段导线电势小幅上升一点，再回落下来。我们称产生跳变的导线为attacker，受影响的导线为victim，那一小段电势的变化称为glitch。相应的，如果attacker从1变0，victim会有一个电势下降的glitch。如果这个glitch过大，就可能产生一个错误的逻辑信号出来，这个时候就发生了glitch的violation。Attacker和victim的角色是可以互相转化的，一个victim在需要翻转的时候就成为了attacker，attacker信号保持不变的时候就是victim。如果两段信号线同时反转，他们就都既是attacker又是victim。

Glitch violation也是信号完整性（SI，signal integrity）violation的一种，SI据我所知也就只和crosstalk有关。

另一种情况，如果attacker和victim同时跳变，如果attacker和victim的跳变方向一致，比如说都从0变为1，victim受attacker的影响跳变速度会更快一些，也就是transition/slew time更小。注意这个时候两者都既是attacker也是victim，所以两根导线的transition都会变快。相反地，如果attacker和victim跳变方向不同，transition会变慢。Transition的变化可能会产生timing的violation，这一类violation也可以说是由SI带来的。但是一般这种violation不如glitch来的严重。

一种比较严重的violation叫做DS（double switch），也是由于串扰带来的逻辑错误。就是说attacker和victim同时跳变并且方向相反，假设attacker从1到0，victim从0到1，假设某个时刻victim已经过了逻辑1的电压阈值，后面的cell已经可以捕捉到信号1了，但之后由于crosstalk，victim的电势会有一个向下（逻辑0方向）的glitch。而这个glitch可能导致后级cell捕捉到信号0，之后victim电势再升高为逻辑1，所以总的来说victim的信号传播就从0、1变为0、1、0、1.这就叫做double switch violation。

消除SI violation的方法还是要从绕线着手。第一就是加shielding net，就是在attacker旁边加一段地线，称为shielding，减弱attacker与victim的耦合电容。一般的时钟trunk都会加一定比例的shielding。第二种就是把发生violation的两段shape分开，距离越远越好，具体做法可以把很直的一段shape让它拐一下，做个detour出来。第三种就是把其中一个net换到另一层去，因为我们metal layer的preferred routing direction都是一层横的一层竖的，换层之后能有效减少耦合电容。

这是我的第31篇文章。微信公众号：伟酱的芯片后端之路

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