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Chapter4标准单元技术StandardCellTechniques December19 2019 1 StandardCellTechniques 4 1引言Introduction 4 2标准单元库StandardCellLibrary 4 3标准单元StandardCell 4 4基于标准单元技术的设计规则DesignRulesforCell Basedapproach 4 5标准输入和输出单元StandardInputandOutputCells December19 2019 2 StandardCellTechniques 4 1引言 3 半定制ASIC设计流程基于标准单元的ASIC设计技术什么是标准单元库什么是标准单元 December19 2019 3 StandardCellTechniques SeparateteamstodesignandverifyPhysicaldesignis semi automatedLoopstogetdeviceoperatingfrequencycorrectcanbetroubling 半定制ASIC设计流程 4 December19 2019 4 StandardCellTechniques 逻辑综合LogicSynthesis Changescloudofcombinationalfunctionalityintostandardcells gates fromfab specificlibrary Choosesstandardcellflip flop latchesfortimingstatementsAttemptstominimizedelayandareaofresultinglogic 5 December19 2019 5 StandardCellTechniques 半定制ASIC设计流程的主要特征 December19 2019 6 综合Synthesis and 自动布局布线Place and Route StandardCellTechniques 这两个产业中非常常用的术语体现了半定制ASIC设计流程的实质 使得当前的IC设计在方法上发生了根本性变化 单元库是半定制设计流程的先决条件 单元库LibraryofCells 单元库中包含了综合和P R工具要用的逻辑门和时序构件 在任何一个ASIC设计流程的全部过程中 整个设计只需要用单元库实现 标准单元设计技术 December19 2019 7 标准单元设计法是一种基于预先安装的库单元的芯片设计方法 库中的单元都已经预先完成了基于一个特定工艺的设计 版图和验证 这些单元已完全特征化 建立了相应的逻辑 时序 物理和电路模型并保存在库中 StandardCellTechniques 基于标准单元设计IC的版图时 设计者只需把综合得到的网表送到自动布局布线工具 P R 中 该工具会自动完成网表到标准单元的映射以及单元间的布局和布线 从而得到最终版图 December19 2019 8 在逻辑级或功能级上实现标准化 StandardCellTechniques 标准单元设计技术的特点 每一个门有多种特定的设计并存储在数据库或单元库中 版图用CAD自动布局布线工具生成 每一个单元有Behaviorallevel Structurallevel和Physicallevel的多种描述 标准单元设计技术的优点 December19 2019 9 采用标准单元设计法设计的版图在性能和面积上不如全定制设计的版图 但它通过单元复用减少了设计工作量 缩短了设计周期 更重要的是 也是基于标准单元的版图设计的最大优点在于有强大的自动布局布线工具支持 设计自动化程度很高 StandardCellTechniques 因此 标准单元设计方法是当前商用电路 尤其是大的数字电路的主要设计方法 而且很多SoC电路的设计也采用此方法 December19 2019 10 用高层描述语言 如HDL 建立对电路系统的描述 StandardCellTechniques 基于标准单元设计的基本步骤 用综合工具将该描述综合成逻辑网表 综合工具需要用到单元的逻辑描述 用自动布局布线 P R 工具将该逻辑网表综合成物理版图 P R工具需要用到版图库 还可能要用到简单描述形式的版图 3 2标准单元库 11 什么是标准单元库标准单元库的特点标准单元库的主要内容标准单元库的质量评价 December19 2019 11 StandardCellTechniques 什么是标准单元库 12 标准单元库 StandardCellLibraries 是ASIC设计流程中用到的预先定义好的 特征化的构建模块的集合 由于这种库通常具有通用接口实现和规则结构 所以通常称为 标准单元库 单元库提供了用于综合的功能构建模块和为布局布线提供的单元的版图描述 硬件描述语言综合的过程也将所选择逻辑单元限制在库所提供的单元中 从而确保了在使用自动布局布线进行设计时单元的物理或版图描述一定存在 标准单元库是ASIC设计方法得以实现的基础之一 December19 2019 12 StandardCellTechniques 为什么要开发标准单元库 December19 2019 13 设计的规模和复杂性日益增加 StandardCellTechniques 存在加快电路和版图设计过程的需要 因此全定制设计不再可行 典型加工工艺的进步 包括布线金属层的增加 进一步增加了全定制版图设计过程的复杂性 自动化工具 尤其是综合和布局布线 P R 工具的出现和应用需要标准单元库 包括版图模型 逻辑模型 时序和功耗模型 的支持 标准单元库的特点 1 5 December19 2019 14 一个ASIC标准单元库通常是只针对一个特定的工艺 StandardCellTechniques 某些情况下 也可能对同一个工艺同时有几个单元库 每个库针对不同的目标 如高速度 低功耗或高密度等 有特定的应用 另外 还可能对同一个工艺针对不同的工作环境条件有不同的单元库 每个库针对不同的环境条件 如温度 有特定的应用 标准单元库的特点 2 5 December19 2019 15 StandardCellTechniques 要求具有 功能 的完整性 一个典型的现代ASIC标准单元库里可能有超过几百个不同的标准单元 在单元库里对这些单元按其功能进行分类 通常必须包括反相器 与和或 或者与非和或非 三态缓冲器 锁存器和触发器 包括异步带置位与复位 在内的基本功能块 标准单元库的特点 3 5 December19 2019 16 StandardCellTechniques 在每个功能组为逻辑单元定义了不同尺寸的实现以实现对不同的扇出提供相应的驱动 如反相器包括1X驱动的INV1 2X的INV2 4X的INV4等 同一种功能中不同驱动能力的单元为综合工具提供了灵活性 从而可以得到最佳的综合结果 另外 标准化的尺寸确保设计过程中不会出现奇怪的尺寸和单元的最大共享 标准单元库的特点 4 5 December19 2019 17 StandardCellTechniques 模型参数要包括延迟 功耗 输入电容和输出电容等基本内容 为了提高版图质量并继续利用标准单元设计自动化高的优点 必须增大单元的规模并对单元版图进行精细优化 为此在标准单元的基础上又发展了宏单元和IP硬核等较复杂的单元 这些单元版图也都采用全定制方法设计 同样也要经过专门优化和严格验证 但电路版图在性能和面积方面要比单纯基于标准单元设计的版图好很多 标准单元库的特点 5 5 December19 2019 18 StandardCellTechniques 一个完整的ASIC单元库应该包含每个单元用于各设计阶段自动化设计工具的所有信息 用 view 来表征 逻辑属性 logicview 时序属性 timingview 物理属性 physicalview 功率属性 powerview 和电学属性 electricalview 所有这些属性一起给单元库中的每一个单元提供了一个完整的描述 在IC设计的实现过程中不同的自动化CAD工具用它们来完成不同的设计任务 版图库 December19 2019 19 P R工具生成层次化的版图 StandardCellTechniques 单元库里的版图是构成层次化版图的叶单元 单元库里的版图形状必须规则化 以便于P R工具拼接并易于进行布局布线 单元库里的版图必须满足工具使用的要求 也就是与工具有关 工具对版图的要求 December19 2019 20 功能的完整性 通常必须包括inverter buffer tristatebuffer 三态缓冲 NAND和NOR 或AND和OR Latch 带复位和置位 及Flip Flop等 StandardCellTechniques 模型库必须包含延迟 功耗 输入电容 输出电容等特征值 还须包括VHDL Verilog模型及引脚列表 并给出引脚的方向 input output inout 标准单元库的主要内容 December19 2019 21 SSIlogic e g nand nor xor inverters buffers latchs registers StandardCellTechniques Memories e g RAM ROM Systemlevelblocks e g multipliers microcontrollers Datapath e g ALUs adders register shifters MSIlogic e g decoders encoders adders comparators 开发单元库的基本步骤 December19 2019 22 StandardCellTechniques December19 2019 23 有效性 Efficiency 如果综合和布局布线的结果速度快 芯片面积小 且功耗低 则说明单元库有效而且高质量 StandardCellTechniques 单元库的质量评价 1 3 ASIC单元库的质量对用该库实现的设计的质量影响极大 ASIC单元库的质量可用以下标准评价 可靠性 Robustness 一个单元库在面积 功耗和性能方面做到了平衡 但是如果不可靠 那这个库没有任何作用 因此库单元的设计必须要对ESD静电保护 闩锁效应的抑制 电子迁移 天线效应和噪声灵敏度方面有所考虑 December19 2019 24 StandardCellTechniques 标准单元库的质量评价 2 3 可移植性 Portability 在对库的评价上 库对多种代工的可移植能力的重要性在逐渐增加 用一套适用于多个厂商的通用设计规则建立的单元库则有好的移植性 可用性 Usability 如果没有配套的设计属性 库再大也没有作用 在下面列出的设计属性类型中 取决于不同的设计方法 一个可用的库需要配套的设计属性也不同 包括 电路设计 综合 模拟 布局布线 静态时序验证和ATPG December19 2019 25 StandardCellTechniques 标准单元库的质量评价 3 3 时间性 Timeliness 一个库必须要能在工艺有效的早期时间投入使用 否则工艺不能发挥最大的潜力来产生效益 成本 Cost 库的成本是很难说的 开发一个库在开发工具和时间上的成本可能都是很高的 但是 买一个现成的库总是意味着在想要的和可用的之间进行了折衷 因此 在购买库和开发库之间 你选择其中的一个一定是因为其明显的经济优势 反之亦然 3 3标准单元 26 什么是标准单元硬件模块的抽象描述标准单元的基本属性标准单元的基本特性标准单元的基本结构 December19 2019 26 StandardCellTechniques 什么是标准单元 December19 2019 27 StandardCellTechniques 标准单元是指基于单元的设计中用到的预先定义好的 特征化的具有通用接口实现和规则结构的基本构建模块 将常用于各种ASIC设计中的不同类型的叶单元或 构建模块 进行优化 形成具有通用接口实现和规则结构的可重复利用的单元库 标准单元的分类 December19 2019 28 StandardCellTechniques 单元库里的标准单元 或者是用于存储信息 或者是完成某种特定的逻辑功能 用于存储数据的标准单元类型称为时序单元 如Flip flops FF 和latches 它们是任何一个ASIC单元库中必不可少的部分 用于对输入的逻辑信号完成特定的逻辑运算的标准单元类型称为组合单元 如nand nor xor inverters和buffers等 硬件模块的抽象描述 1 3 December19 2019 29 StandardCellTechniques 如下图所示 在芯片的实现过程中 模块电路的抽象描述有四种层级 最低的一级是晶体管级或器件级 在这一级中的单元模块直接用诸如晶体管 二极管 电容和电阻一类最基本的器件元素来描述 标准单元就是直接用晶体管构成的 它比晶体管的抽象层高一级 硬件模块的抽象描述 2 3 December19 2019 30 StandardCellTechniques 晶体管级的上一级是单元级 在这一级中的模块设计用标准单元构成 再上一级是模块级 在这一级中 设计是用诸如加法器 乘法器 ALU和移位寄存器类的功能模块来描述的 最高一级是芯片级 在这一级中 设计被划分为诸如DSP 微控制器 MPEG编码器 UART USB ADC DAC和PLL类的具有复杂功能的子系统 抽象的层次越高 设计中所含的具体实现细节就越少 标准单元的基本属性 1 3 December19 2019 31 单元的物理版图 physicalappearance 单元的逻辑功能 logicfunctionality 单元的时序特性 timingbehavior 单元的电学特性 electricalcharacteristics StandardCellTechniques 由于标准单元是ASIC设计方法的基本构成模块 因此在用这些单元构建芯片时必须要提供给CAD工具相应的单元信息 标准单元的基本属性 2 3 December19 2019 32 StandardCellTechniques 因此 在ASIC单元库中以一定的数据格式将单元特征化 模型化及存储 故对每一个单元而言 一个完整的ASIC单元库应该包含单元用于各个不同的设计阶段中的自动化设计工具的如下信息 将其特征化为属性 view 逻辑属性 logicview 时序属性 timingview 物理 版图属性 physicalview 功率属性 powerview 和电学属性 electricalview 所有这些属性一起给单元库中的每一个单元提供了一个完整的描述 在IC设计的实现过程中不同的自动化CAD工具用它们来完成不同的设计任务 December19 2019 33 StandardCellTechniques 这些不同的单元属性在芯片的实现过程中被不同的EDA工具分别用于获取电路结构 模拟 时序验证 布局布线 功率分析和电学特性检查 在单元的所有属性中 最常用的三种单元属性是 符号属性 SymbolView 结构属性 SchematicView 和版图属性 LayoutView 标准单元的基本属性 3 3 1x反相器的基本属性 1 2 December19 2019 34 StandardCellTechniques Symbolview Schematicview layoutview 1x反相器的基本属性 2 2 December19 2019 35 StandardCellTechniques DFlip Flop的基本属性 1 3 December19 2019 36 StandardCellTechniques Symbolview Schematicview DFlip Flop的基本属性 2 3 December19 2019 37 StandardCellTechniques layoutview December19 2019 38 StandardCellTechniques DFlip Flop的基本属性 3 3 结论 December19 2019 39 从这些单元的schematicview可知 显然功能不同的单元的电路结构的复杂程度也不相同 结构的复杂程度取决于单元逻辑功能的复杂程度 StandardCellTechniques 相应地 单元版图的尺寸又取决于结构的复杂程度相关 标准单元的基本特性 December19 2019 40 电路设计相关特性基本形状 版图设计 相关特性单元接口 版图接口 相关特性 StandardCellTechniques 标准单元级的建立使芯片设计易于实现 尤其是对大的数字设计而言 因此要考虑标准单元本身的设计 首要的一点就是单元库应该与所用的制造工艺的特殊要求和特征兼容 标准单元的基本特性主要表现为 标准单元的电路设计相关特性 December19 2019 41 每个单元的功能 电学特性都要经过测试 分析和说明 StandardCellTechniques 通常会先生产一块测试芯片 然后通过实际的硅芯片对每个单元的性能进行分析 有时仅仅完成一个工艺特征步骤来生成晶体管特性的仿真模型 而库特性分析工具就是使用这些模型来建立每个单元的仿真模型 为每种单元类型设计多种驱动强度的实现 而且不同的驱动强度都是基本尺寸或最小尺寸的倍数 标准单元基本形状相关特性 1 4 December19 2019 42 标准单元的版图设计中 用预先定义的模板建立单元 以保证满足所有要求 StandardCellTechniques 模板应该包括单元的高度 阱的布局 N型晶体管 P型晶体管和一些要遵守的准则 以此来确保单元能垂直或水平翻转 而且当其被放在其他单元旁边时不致引起DRC等规则错误 单元版图必须采用全定制设计 标准单元基本形状相关特性 2 4 December19 2019 43 StandardCellTechniques 所有单元都是矩形且有相同的高度 但宽度可变 单元版图的尺寸由单元的高度和宽度定义 单元的边界属性用于布局阶段布局布线工具确定单元的具体位置 关键是要用尽可能小的面积实现单元版图的设计 标准单元基本形状相关特性 3 4 December19 2019 44 一般情况下 单元版图内只用金属1 和2 来实现连接 StandardCellTechniques 高层金属通常用于信号通道的布线 在单元的版图属性中 用一些几何图形定义单元的信号端口 port 在后面的布线阶段用于布线器实现信号连接 在单元的上部和下部 用预先定义的相同宽度和位置的金属线实现单元中电源 DVDD 和地 DVSS 的连接 标准单元基本形状相关特性 4 4 December19 2019 45 自动化实现单元拼接时 单元成行排列 布线在单元行之间进行 故单元行之间的区域定义为布线通道 wiringchannel StandardCellTechniques 每个单元长度是由粗栅格的倍数构成的 December19 2019 46 所有单元的尺寸和形状必须规则 StandardCellTechniques 在同一层上的所有金属信号线有相同的线宽 标准单元库中所有单元只用一种单元高度模式 即所有单元固定高度 可变宽度 标准单元的基本形状 单元中的电源线和地线必须有相同的线宽 必须易于水平拼接并成行排列 25micronswide lambdais0 25 AB abutmentboxBB boundingboxPowersupplies VDD GNDEachdifferentshadedandlabeledpatternrepresentsadifferentlayerConnections A1 B1 Z December19 2019 47 StandardCellTechniques 标准单元的内部结构 同一行中的单元布局 December19 2019 48 单元中的电源 地必须与相邻单元的电源 地相连接 StandardCellTechniques 单元的水平宽度不必相同 单元通常可以水平翻转 必须严格遵守设计规则 相邻两行的单元布局 December19 2019 49 相邻两行的电源线和地线可直接拼接 StandardCellTechniques 相邻两行中的某些单元可部分重叠 单元行通常可垂直翻转 TwoRowsofStandardCells December19 2019 50 StandardCellTechniques 基于标准单元的版图 December19 2019 51 是由许多的标准单元行构成的 标准单元行之间通常用布线通道间隔 StandardCellTechniques 布线可用金属层在单元上走线 基于标准单元的模块电路高度与宽度之比要受到其他因素的影响 一个完整的芯片电路通常是由许多的标准单元模块构成的 标准单元接口相关特性 December19 2019 52 所有输入 输出端口都有预先定义的类型 层 位置 尺寸和接口点 StandardCellTechniques 端口是为布线工具布线准备的 应根据布线工具对其进行优化 以获得最好的结果 单元接口设计可以共享一些连接 如连接到电源和地的晶体管的源端可以共用 在一定的条件下 单元间可以共用衬底和阱接触孔 例如通过使用定义在栅格上的信号间距可以使布线更加简便快捷 栅格技术的运用简化了布线工具的算法 从而使布线工具将占用较少的计算资源 标准单元的基本结构 1 6 Pitch 单元高度 所有单元有相同的高度pitch 和可变的宽度 从而可以实现按行对准和排列 December19 2019 53 StandardCellTechniques 对数字版图而言 特别是在标准单元版图中 由于布局布线工具的限制 固定高度 可变宽度的单元是唯一可行的设计方法 在整个数字版图设计中是一种相当常用的设计方法 标准单元的基本结构 2 6 December19 2019 54 StandardCellTechniques 电源 地线以相同的高度水平走线穿过单元 可用于实现单元水平方向的拼接 其他连线通过单元顶部和 或底部的端点进行连接 布线通道可根据网表实现端点间的互连 VDD VSS连接对整个单元库中的所有单元具有预先定义好的相同的宽度和位置 December19 2019 55 StandardCellTechniques 填充单元 feed through 可以增加垂直布线通道 标准单元的基本结构 3 6 对于只提供两层布线的工艺而言 设计中运用填充单元是添加垂直布线通道的惟一方法 填充单元 Feed through December19 2019 56 StandardCellTechniques 是指不包含晶体管的空单元 只提供垂直方向的通道 用以连接不同的布线通道上的信号 当单元上没有更多的布线资源时 可将填充单元添加到单元间以允许垂直连接 标准单元的基本结构 4 6 端口可用不同的方式放置 端口靠近单元的顶部和底部以进行连接 December19 2019 57 StandardCellTechniques 端口放置在单元中间从而实现单元上走线 以确保有效地使用布线通道 并减少独立的填充单元的使用 但通过单元顶部和底部两边的端口在单元上面走线 增加了信号的寄生负载 并最少了最终设计的整体空隙率 相同的单元的整体面积可能会更小 而如果连接的单元是相邻的 则端口的连接会很短 并且不会浪费任何布线通道的间距 ComparisonofCellInterfaces December19 2019 58 StandardCellTechniques ExampleA ExampleB ExampleC 通道布线工具 不允许在单元上走线或1层金属 通道布线工具 允许在单元上走线 2 3层金属可以布线 通道布线工具 允许在单元上走线 短的金属1水平走线 标准单元的基本结构 5 6 December19 2019 59 标准单元的设计和结构依赖于加工工艺中可用的布线层数 StandardCellTechniques 如果在单元内部只有一个金属层用于形成大多数的晶体管内部连接 布线工具则仅能连接放置在单元边界上的引脚 与单元端口连接的第二层金属只是连接单元的顶部或底部 设计则由两行和两行间的布线通道构成 对于只提供两层布线的工艺而言 设计中运用填充单元feed through是添加垂直布线通道的惟一方法 60 基于标准单元的版图方法 withoutoverthecellrouting 1980s December19 2019 60 StandardCellTechniques 通道布线ChannelRouting December19 2019 61 StandardCellTechniques 标准单元的基本结构 6 6 December19 2019 62 StandardCellTechniques 如果在单元中间含有通孔的设计实现 则可以把端口放在中间 在单元上方进行布线 这时 垂直布线通道可能位于单元上方 并且在最终设计中减少了填充单元的使用 63 December19 2019 63 StandardCellTechniques 基于标准单元的版图方法 withoverthecellrouting1990s 在三层以上的金属布线工艺中 几乎所有的通道都能去掉 所有的布线都可以在单元上方完成 64 StandardCellLayoutExample1 3 Cellheight12metaltracksMetaltrackisapprox 3 3 Pitch repetitivedistancebetweenobjectsCellheightis 12pitch December19 2019 64 StandardCellTechniques 65 StandardCellLayoutExample2 3 In Out GND In Out GND Withsilicideddiffusion Withminimaldiffusionrouting December19 2019 65 StandardCellTechniques 66 StandardCellLayoutExample3 3 A Out GND B 2 inputNANDgate December19 2019 66 StandardCellTechniques StandardCell Example 3 inputNANDcell fromSTMicroelectronics C LoadcapacitanceT inputrise falltime December19 2019 67 StandardCellTechniques 单元行版图 所有单元固定高度 成行排列 总体结构 p transistors gap 间隙 betweenn ptransistors 用于单元内的布线n transistors单元行上面或下面的布线通道routingchannel gap December19 2019 68 StandardCellTechniques StandardCellRow December19 2019 69 StandardCellTechniques FEEDTHROUGH VDD GND 基于标准单元的芯片版图的布线 December19 2019 70 StandardCellTechniques 单元间的互连位于单元行之间的区域 称为通道 Feedthrough 将信号跨单元进行传输的一段金属或多晶硅 或是单元中作为备用的传送信号通道的区域 相邻的两个金属互连层 metal1andmetal2 走线相互垂直 December19 2019 71 StandardCellTechniques PMOS NMOS PMOS NMOS VDD VSS SSI LSIblocks 版图形式是单元块成行排列 单元行之间用布线区分隔 SSI LSI标准单元的概念可扩展到更高一级功能级上 经常可用作参数化的模块 基于标准单元的芯片版图 December19 2019 72 StandardCellTechniques 单元成行排列 并可直接邻接 I Opads沿芯片四周排放 同一行中的单元可邻接排放 电源线和地线在I Opads和核心电路 corecells 之间成环形布线 3 4基于标准单元技术的设计规则DesignRulesforCell Basedapproach December19 2019 73 StandardCellTechniques 标准网格StandardizedGrids定向型工艺层技术DirectionalLayerTechnique网格式布线系统要求的库设计规则LibraryRulesForGrid BasedSystems 标准化的网格StandardizedGrids December19 2019 74 网格式系统Grid BasedSystems规则式布线器Rule BasedRouters StandardCellTechniques 网格式系统 1 2 December19 2019 75 标准版图系统把每一样东西都以一个标准网格作为对准的基础 使我们能够自动布线并保证标准单元整体布局的可操作性 这一网格就像积木底板的绿色方形塑料板 StandardCellTechniques 经典的布线器以网格为基础 一个网格式布线器要遵循两个约束条件 导线只能有几种固定的宽度 导线只能放在预先确定了坐标的网格上 网格式系统 2 2 December19 2019 76 StandardCellTechniques 在网格式设计系统中 不能随意设计想要的任何东西 而是必须要遵循对准网格的规则 网格式系统是一个有用的模板 在布局布线时可用来减少占用的计算机资源 且布线的速度更快 因为布线器不会考虑那些不在布线路径上的点 布线格点的类型 1 2 December19 2019 77 线到线LinetoLine线到通孔Linetovia通孔到通孔Viatovia StandardCellTechniques 布线格点的选择很重要 目前使用的格点有三种 RoutingGridTypes 2 2 December19 2019 78 StandardCellTechniques 采用线到线的间距 则在使用通孔时很多金属走线需要信号线拐角 此时单元的尺寸是最小的 但需要牺牲可布线性 且布线工具完成布线所需的时间也更长 采用线到通孔的间距 则当两个通孔放置在相邻的线上时 金属走线也需要拐角 而尝试避免这些拐角的出现则会引起版图资源的消耗 可能会抵消掉信号间距缩小所带来的面积节省 采用通孔到通孔的间距 设计的空隙率 theporosity 最大 且布线也更简单 当然 单元的尺寸是最大的 December19 2019 79 StandardCellTechniques RoutingGridTypes December19 2019 80 确定了导线的最小宽度和导线间的最小间距也就确定了网格的粗细 StandardCellTechniques 确定网格尺寸 最小金属线越宽 或金属线间必须隔得越远 网格也就越大 设计规则决定了网格尺寸 对同一工艺中的任何其他金属层采用同样的方法 当我们在整个芯片上遍布了一组水平 x 和垂直 y 的网格线 网格式布线器只能沿网格线从一个交叉点到另一个交叉点布线 自动布线器布置的导线以x和y网格线为中心线 规则式布线器Rule BasedRouters December19 2019 81 StandardCellTechniques 在现代工艺中 一项工艺中任何两个网格的间距尺寸一般都不相同 不同工艺层上的金属线宽度及其间距都有不同的最小宽度 如果使所有的网格都采用同样的尺寸 那只能统一采用芯片上尺寸要求最大的那个工艺层的尺寸 这势必会浪费其他工艺层的面积 一种改进的网格式布线器称为规则式布线器 对于导线的每一层 计算机不是采用固定的网格 而是按每一层的实际设计规则来布线 由于每一层的线宽和间距可能并不相同 有些层布线的压缩余地可能更大 可以有更紧凑的网格间距 可节省版图的面积 定向型工艺层技术 1 3 现在可以用计算机在Metal1所有的网格线自如地布线 然而如果想把芯片上所有的数百甚至数千个器件有同一层上连接 很快就会发现布线无法进行下去 December19 2019 82 StandardCellTechniques 为了连接这么多的器件 我们需要另一金属层作为布线层来从Metal1中解脱出来以使布线可以进行下去 金属层与层之间的连接用通孔即金属层间的通路来实现 在两个金属层上布线比只在一层金属层上布线具有更多的机动性 所以有了第二层金属层确实有助于布线在连接点之间穿行 但无规则的布线会要求越来越多的金属层 否则仍然会很快把自己堵得无路可走 定向型工艺层技术 2 3 December19 2019 83 StandardCellTechniques 通常将相邻的两个金属层分别用作水平和垂直方向的连线 如所有Metal1上的导线都沿水平走线 而所有Metal2上的导线都沿垂直走线 每当要改变方向时 就换一个金属层 这样水平和垂直方向上的布线相对独立 水平连线间不会互相交叉 垂直导线也不会互相交叉 采用这一技术就可以只用两层金属进行所有的布线而不会形成死结 ExampleofCellConstructed December19 2019 84 StandardCellTechniques 定向型工艺层技术 3 3 December19 2019 85 StandardCellTechniques 小的转向不必改换金属层 一般转换金属层是为了可以在信号之间放置更多的水平方向的导线 然而如果导线之间只相隔一个网格 不可以在中间再放上一条导线 则改换金属层并不能得到布线好处 而且你每使用一次金属层 就使任何其他导线无法在这一位置上再使用这一金属层 另外为了这样一条短线引入的通孔可能会造成很高的电阻 而且通孔有时会刻蚀得不太好 从而会产生某些可靠性方面的问题 ChoiceonDirectionsofMetalTracks December19 2019 86 StandardCellTechniques Guidelinesonintra cellmetalrouting December19 2019 87 StandardCellTechniques 网格式布线系统要求的库设计规则 December19 2019 88 StandardCellTechniques 对齐输入和输出固定高度 可变宽度确定导线规格共用N阱半网格单元尺寸半尺寸设计规则布线通道的考虑 输入输出对齐 December19 2019 89 要求将输入与输出与网格线完全对齐 否则它们将会与自动布线器设置的连接错开 StandardCellTechniques 输入和输出的连接不能随意放置 而是必须像所有的连线一样位于同样的网格 否则布线不能和它们连上 还必须以同一方式使标准单元库中的所有部件都与网格相匹配 导线 单元 交点等所有版图对象都必须服从类似对齐和间距的这样一些规则 否则就不能保证自动布线系统的布线结果没问题 固定高度 可变宽度 1 2 December19 2019 90 StandardCellTechniques 为了保持结构的统一 我们迫使所有的门都必须服从固定的高度设置 一个规定的固定单元高度控制着整个库 如需要更大的有较大晶体管的逻辑门 则只要使单元变宽并分割晶体管使其能放在轨线之内就可以 但要始终保持固定的单元高度 此技术在整个数字版图领域是非常通用的技术 因为受布局布线工具的约束 而这一方法保证能把所有单元互相并排放置而DRC不会出现问题 固定高度 可变宽度 2 2 December19 2019 91 StandardCellTechniques 采用高度固定的库的一个最主要的优点是 只要我们把所有的逻辑门一个挨一个地摆放 则可以让每一个单元与它相邻的单元恰好对接 而且电源轨线自己就连在了一起 而不必进行专门连接 确定导线规格 December19 2019 92 我们知道不同的金属层有不同的线宽和间距 我们用1 网格线确定了网格间的最小距离 即一条导线沿一条网格线走线 StandardCellTechniques 较大线宽和间距的导线可以具有较大的规格 如一般单元版图中的电源轨线不是2 网格线就是3 网格线 要建立一个3 网格线 可以把3条单网格的导线并排放在网格上 然后用金属填充它们间的空档 共用阱 CommonN Pwell December19 2019 93 把要并排放置的门放在一个大的阱中 StandardCellTechniques 典型的CMOS工艺通常都有一个关于阱间距的规则 这个间距要求很大 如果门之间的间隔要达到阱的最小间距的话 则会浪费大量的版图面积 好在大多数逻辑电路中的PMOS器件和N阱一起连至VDD 故可以设计一个大的单个N阱来节省空间 共用N阱意味着 限制设计的规则是晶体管与晶体管的间距 这要比阱的间距小得多 通过共用N阱可以使器件靠得更近 且N阱和电源轨线相互对接形成了一条连续的N阱和电源轨线带 半网格单元尺寸 1 2 December19 2019 94 在设计模块或整个电路版图时 我们通常是直接把相邻的单元对接 这样无需导线就可以把电源轨线或N阱连接起来 正好形成一条长带 StandardCellTechniques 有一个非常方便而且最为有效的方法是 让所有内部的导线都位于网格上 然后使相互对接单元的边沿落在两条网格线的中间 即处于半个网格的位置上 这样直接对接后 保证了金属线相互间正好能保持所需要的最小间距 但这样很可能会把相邻单元的内部部件也对接起来 从而违反内部部件必须服从的最小间距规则 半网格单元尺寸 2 2 December19 2019 95 StandardCellTechniques 单元可以在各个方向上对接 所以一个单元的每一边 上 下 左 右 都应当落在半个网格的位置上 这样就可使我们内部的部件在各个方向上都保持最小的间距 半尺寸设计规则 D