VLSI8 全定制设计模式

1、2021-10-161 第八章第八章2021-10-162 1 全定制电路的结构化设计特征全定制电路的结构化设计特征 结构化设计是由结构化设计是由Mead和和Conway首先提首先提出来的，其目的是让设计者能够直接参出来的，其目的是让设计者能够直接参加芯片设计以实现高性能系统。在结构加芯片设计以实现高性能系统。在结构化设计中采用以下几方面的技术。化设计中采用以下几方面的技术。2021-10-163一、层次性：一、层次性： 由于系统规模很大，设计复杂性很由于系统规模很大，设计复杂性很高，一般全定制设计首先进行系统高，一般全定制设计首先进行系统划分，将一个系统划分成若干模块，划分，将一个系统划分成

2、若干模块，再将模块划分成更小的模块，直至再将模块划分成更小的模块，直至小模块的复杂性达到合适的细节为小模块的复杂性达到合适的细节为止。划分的原则之一是模块间连线止。划分的原则之一是模块间连线最少，而将联系紧密的部分划分在最少，而将联系紧密的部分划分在同一模块内。同一模块内。2021-10-164l 这种划分，可以是由人工来完成，也可以由这种划分，可以是由人工来完成，也可以由划分工具进行自动划分划分工具进行自动划分.关键是如何评价这一关键是如何评价这一划分结果是最优的。在进行电路划分的同时，划分结果是最优的。在进行电路划分的同时，对芯片面积也进行相应的划分，其目的是为对芯片面积也进行相应的划分，

3、其目的是为每个模块确定一个布图面积的大小。这一步每个模块确定一个布图面积的大小。这一步叫布图规划（叫布图规划（floor-planing）。）。 System M1 M2 M3 MnT1T2Ts2021-10-165二、模块性二、模块性 一个系统或电路被划分成模块后，尽管一个系统或电路被划分成模块后，尽管每个模块实现的电路功能并不相同，但每个模块实现的电路功能并不相同，但它们都有一个明确定义的物理接口，此它们都有一个明确定义的物理接口，此接口定义了模块名称、功能、层类、尺接口定义了模块名称、功能、层类、尺寸与外部互连端点的数目，名称及位置寸与外部互连端点的数目，名称及位置等。模块性有助于设计人

4、员明确问题并等。模块性有助于设计人员明确问题并做出文件接口，这样可以将一个任务分做出文件接口，这样可以将一个任务分成一组子任务，每个人只设计芯片的一成一组子任务，每个人只设计芯片的一部分。部分。2021-10-166三、规则性三、规则性 采用单元重复的方法是结构化设计的一采用单元重复的方法是结构化设计的一种好方法，这样既简化设计，又减少错种好方法，这样既简化设计，又减少错误，同时使结构规则化。所谓规则化是误，同时使结构规则化。所谓规则化是指模块内部可以随功能而不同，但模块指模块内部可以随功能而不同，但模块间的接口如电源、地线、时钟线、总线间的接口如电源、地线、时钟线、总线等可以是公共的。规则性

5、可以在设计层等可以是公共的。规则性可以在设计层次的所有级别上存在。次的所有级别上存在。2021-10-167四、局部性四、局部性 通过对模块接口的很好定义，可以通过对模块接口的很好定义，可以有效地使该模块的内容变得对任何有效地使该模块的内容变得对任何外部接口不再重要，可以将每个模外部接口不再重要，可以将每个模块看作一个黑盒子。设计时不关心块看作一个黑盒子。设计时不关心模块内部的情况，这样减少了模块模块内部的情况，这样减少了模块表现的复杂性。表现的复杂性。2021-10-168五、手工参与五、手工参与 全定制设计中的往往需要手工参与。因全定制设计中的往往需要手工参与。因为目前还没有一个很完善的全

6、定制设计为目前还没有一个很完善的全定制设计的的EDA工具。由于全定制设计是一种很工具。由于全定制设计是一种很少受约束的设计技术，当对一个全新的少受约束的设计技术，当对一个全新的芯片进行设计时，手工设计仍然被许多芯片进行设计时，手工设计仍然被许多半导体厂商所广泛使用。手工参与设计半导体厂商所广泛使用。手工参与设计的实质是把一个设计划分为若干过程，的实质是把一个设计划分为若干过程，然后由精通逻辑，精通电路，精通版图然后由精通逻辑，精通电路，精通版图等专家各自去完成任务，而在各部分任等专家各自去完成任务，而在各部分任务中，可以有相应的务中，可以有相应的EDA工具支持。工具支持。2021-10-169

7、2几种全定制设计方法几种全定制设计方法 通常情况下，全定制设计中模块的外形通常情况下，全定制设计中模块的外形和放置位置都没有限制，除了模块所占和放置位置都没有限制，除了模块所占区域以外的芯片区域都是布线区。模块区域以外的芯片区域都是布线区。模块上也可以走三层以上的金属线。因此，上也可以走三层以上的金属线。因此，全定制设计模式除了要遵循基本的几何全定制设计模式除了要遵循基本的几何设计规则，如：线宽、线间距、覆盖、设计规则，如：线宽、线间距、覆盖、露头等，没有任何其它的物理限制。露头等，没有任何其它的物理限制。2021-10-1610 三种三种CAD工具用于全定制设计模式：工具用于全定制设计模式：

8、 O 基于几何图形的交互图形编辑基于几何图形的交互图形编辑O符号法符号法O积木块自动布图积木块自动布图2021-10-1611一、交互图形编辑：一、交互图形编辑： 设计者将手工设计好的版图用一个数字设计者将手工设计好的版图用一个数字化仪输入至计算机并进行编辑，可直接化仪输入至计算机并进行编辑，可直接在屏幕上绘制版图。编辑器提供有插入、在屏幕上绘制版图。编辑器提供有插入、移动、删除、复制、拉伸等命令，还有移动、删除、复制、拉伸等命令，还有联机的的设计规则检查功能，并辅以开联机的的设计规则检查功能，并辅以开窗、缩放、窗口移动等显示功能虽然此窗、缩放、窗口移动等显示功能虽然此方法设计效率低，设计时间

9、长。但由于方法设计效率低，设计时间长。但由于可得到高集成度和高性能的芯片，因而，可得到高集成度和高性能的芯片，因而，此方面仍被广泛用于大批量产品的设计此方面仍被广泛用于大批量产品的设计中。中。2021-10-1612 大部分大部分CAD公司都提供实用的交互图形公司都提供实用的交互图形编辑器，如编辑器，如Cadence、Mentor等都有功等都有功能完善、性能良好的编辑工具。我国自能完善、性能良好的编辑工具。我国自行开发的行开发的PANDA系统也包括有一个交互系统也包括有一个交互图形编辑工具。除了工作站版本外，有图形编辑工具。除了工作站版本外，有些公司还专门提供微机上的版本 ，些公司还专门提供微

10、机上的版本 ，Tanner公司的公司的L-Edit是一个广泛使用的是一个广泛使用的微机上的交互图形编辑器。微机上的交互图形编辑器。2021-10-1613 由于手工设计方法不可避免地会产生错由于手工设计方法不可避免地会产生错误。因此，必须在版图编辑后进行版图误。因此，必须在版图编辑后进行版图验证。版图验证包括设计规则检查、电验证。版图验证包括设计规则检查、电学规则检查、版图与原理图对照检查以学规则检查、版图与原理图对照检查以及电路网表提取，版图寄生参数提取和及电路网表提取，版图寄生参数提取和后模拟。后模拟。2021-10-1614 CAD公司在提供交互图形编辑软件的同公司在提供交互图形编辑软件

11、的同时，也提供版图验证软件。时，也提供版图验证软件。Cadence的的Dracula就是一个十分著名的版图验证软就是一个十分著名的版图验证软件。一个性能良好的版图验证软件可以件。一个性能良好的版图验证软件可以将设计错误消灭在芯片制造之前，确保将设计错误消灭在芯片制造之前，确保芯片的正确性和一定的成品率。芯片的正确性和一定的成品率。2021-10-1615 二、符号法版图设计方法二、符号法版图设计方法 符号法版图设计方法（符号法版图设计方法（symbolic layout approach）也是一种人工设计方法。它也是一种人工设计方法。它使用晶体管、通孔和连线的符号进行输使用晶体管、通孔和连线的

12、符号进行输入和编辑并产生一个拓扑版图。然后再入和编辑并产生一个拓扑版图。然后再根据给定的设计规则将它转换成物理版根据给定的设计规则将它转换成物理版图。直接由拓扑版图转换而成的物理版图。直接由拓扑版图转换而成的物理版图往往有较多的冗余空间。因此，符号图往往有较多的冗余空间。因此，符号法版图编辑器中还需要提供版图压缩功法版图编辑器中还需要提供版图压缩功能，以优化版图面积。能，以优化版图面积。2021-10-1616 符号法版图设计方法保持了交互图形编符号法版图设计方法保持了交互图形编辑方法所具有的较高布图密度和灵活性辑方法所具有的较高布图密度和灵活性的优点，且由于设计规则是由符号法版的优点，且由于

13、设计规则是由符号法版图编辑器维持的，用户在操作时不需要图编辑器维持的，用户在操作时不需要考虑，因而大大降低了设计工作量。考虑，因而大大降低了设计工作量。2021-10-1617 但由于目前还没有高性能的二维压缩工但由于目前还没有高性能的二维压缩工具，使符号法版图设计方法的布图密度具，使符号法版图设计方法的布图密度低于手工设计的交互图形编辑方法。低于手工设计的交互图形编辑方法。Magic是一个著名的符号法版图编辑器，是一个著名的符号法版图编辑器，它是由美国加州大学它是由美国加州大学Berkeley分校开发分校开发的。有些实用系统把符号法和交互图形的。有些实用系统把符号法和交互图形编辑集成在一个系

14、统中。如我国编辑集成在一个系统中。如我国PNADA系统中，用户可以用几何图形，也可以系统中，用户可以用几何图形，也可以用器件符号进行版图编辑。用器件符号进行版图编辑。2021-10-1618三、积木块自动布图三、积木块自动布图 ROM/RAMA/DPLAI/O转换数据通路压焊块第一层金属第二层金属通孔随机逻辑2021-10-1619 积木块自动布图（积木块自动布图（Building Block Layout）又称为任意形状单元布图，简称作又称为任意形状单元布图，简称作BBL。限于实现的困难，大部分的限于实现的困难，大部分的BBL模式版模式版图都为矩形，也可有少量图都为矩形，也可有少量“T”型和

15、型和“L”型。它们可被安置在芯片的任何位置上。型。它们可被安置在芯片的任何位置上。其中模块的版图是预先设计好的。其中模块的版图是预先设计好的。2021-10-1620 BBL BBL模式下的布线区域比较复杂，未被模模式下的布线区域比较复杂，未被模块占用的芯片空间为布线区。通常要先块占用的芯片空间为布线区。通常要先把它们划分成矩形的通道区，然后再按把它们划分成矩形的通道区，然后再按一定次序逐个进行布线，传统的布线工一定次序逐个进行布线，传统的布线工艺用两层金属，此时模块上面不能走线。艺用两层金属，此时模块上面不能走线。随着多层布线工艺的出现，模块上允许随着多层布线工艺的出现，模块上允许有三层以上

16、的走线，出现了有三层以上的走线，出现了“跨单元布跨单元布线线”（Over the Cell RoutingOver the Cell Routing）技术。技术。它使得布线区域大大减小。它使得布线区域大大减小。2021-10-1621 BBL模式既具有布图密度高和布图灵活模式既具有布图密度高和布图灵活的优点，又具有自动设计高效率的优点，的优点，又具有自动设计高效率的优点，它是一种很理想的设计方法。但由于它是一种很理想的设计方法。但由于BBL的布图算法和布图系统较其它设计的布图算法和布图系统较其它设计方法复杂，目前还没有一个很成功的实方法复杂，目前还没有一个很成功的实用系统。从系统的成本和它达到

17、的目标用系统。从系统的成本和它达到的目标相比，目前也没有显示出它比门阵列和相比，目前也没有显示出它比门阵列和标准单元设计方法更好。标准单元设计方法更好。2021-10-1622 Cadence推出过一个叫推出过一个叫SYMBED的的BBL系统。美国加州大学系统。美国加州大学Berkeley分校的分校的BEAR系统是一个著名的系统是一个著名的BBL系统。它系统。它在算法、数据结构和系统构思方面都有在算法、数据结构和系统构思方面都有很多创新。我国的很多创新。我国的PANDA系统中的系统中的FRACT系统是一个系统是一个BBL设计工具，它是设计工具，它是在在BEAR的基础上改进而成的的基础上改进而成

18、的。2021-10-1623 随着工艺的快速发展。随着工艺的快速发展。BBL布图方法的布图方法的研究也在不断深入地进行，目前可以有研究也在不断深入地进行，目前可以有非矩形的模块，如非矩形的模块，如L型、型、T型的形状。问型的形状。问题的表示方法、布图规划、布局、布线题的表示方法、布图规划、布局、布线算法的研究也在不断进行。考虑延迟、算法的研究也在不断进行。考虑延迟、功耗、噪声串扰等约束以及将布局与布功耗、噪声串扰等约束以及将布局与布线同时考虑的算法等。线同时考虑的算法等。2021-10-1624 由于由于VLSI电路的规模和复杂性，一次设电路的规模和复杂性，一次设计成功的难度太大，通常布局的复

19、杂性计成功的难度太大，通常布局的复杂性在在O（n2）到）到O（n4）之间，布线在）之间，布线在O（n logn）到到O（n2）之间。当）之间。当n（问题的规问题的规模）很大时，计算时间会相当长。模）很大时，计算时间会相当长。 2021-10-1625 采用分级设计策略可有效地降低复杂性。采用分级设计策略可有效地降低复杂性。如以布局为列，若原来复杂性为如以布局为列，若原来复杂性为S=O(n2)，分级后先对模块内进行布局，然后对整分级后先对模块内进行布局，然后对整个芯片进行布局，则总的复杂性为：个芯片进行布局，则总的复杂性为： 两者工作量之比为：两者工作量之比为： 由于由于mn，所以其工作量大约是

20、原来的所以其工作量大约是原来的1/m。分级设计会损失掉一些布图变量。分级设计会损失掉一些布图变量。)/()/(2222cmmnOcmmnmOS2)/(/1/ nmCmSS2021-10-16263 不同设计方法比较不同设计方法比较 设计方法的选择与芯片性能要求、产品设计方法的选择与芯片性能要求、产品上市时间以及产品产量有关。表上市时间以及产品产量有关。表1比较了比较了这些设计模式在版图结构上的差别。表这些设计模式在版图结构上的差别。表2比较了这些设计模式芯片面积，性能及比较了这些设计模式芯片面积，性能及制造方法上的不同。用户可以根据自己制造方法上的不同。用户可以根据自己对产品性能、批量大小和上

21、市时间的要对产品性能、批量大小和上市时间的要求，选择相应的设计方法。求，选择相应的设计方法。2021-10-1627表一表一 各种设计模式的版图结构各种设计模式的版图结构 设计模式设计模式全定制全定制标准单元标准单元门阵列门阵列FPGA单元外形单元外形 可变可变固定高度固定高度不变不变不变不变单元类型单元类型 可变可变可变可变固定固定可编程可编程单元布局单元布局 可变可变按行按行固定固定固定固定连连 线线 可变可变可变可变可变可变可编程可编程2021-10-1628表二表二 不同的设计模式的芯片面积、性能和掩膜制作方式不同的设计模式的芯片面积、性能和掩膜制作方式设计模式设计模式全定制全定制标准

22、单元标准单元门阵列门阵列FPGA芯片面积芯片面积小小较小较小中等中等大大芯片性能芯片性能高高较高较高中等中等低低制作掩膜制作掩膜全部全部全部全部金属连线及孔金属连线及孔不需要不需要2021-10-1629 大批量的产品，如微处理器，存储器等大批量的产品，如微处理器，存储器等宜采用全定制设计方法。小批量宜采用全定制设计方法。小批量ASIC产产品则采用半定制的门阵列或宏单元阵列品则采用半定制的门阵列或宏单元阵列设计方法。单件、批量很小的产品、试设计方法。单件、批量很小的产品、试验电路则采用验电路则采用FPGA设计方法。电性能要设计方法。电性能要求较高，而批量较小的产品，或中批量求较高，而批量较小的

23、产品，或中批量产品则采用标准单元设计方式。产品则采用标准单元设计方式。2021-10-1630定制电路的设计定制电路的设计定制电路是指一些通用电路的设计，由定制电路是指一些通用电路的设计，由半导体生产厂家按标准规格生产出来的半导体生产厂家按标准规格生产出来的一系列电路：如一系列电路：如ROM、EPROM、EEPROM、PLA、PLD及及FPGA等等。等等。这些芯片已经制好，只需将信息写入即这些芯片已经制好，只需将信息写入即可工作。这种电路的特点是结构非常规可工作。这种电路的特点是结构非常规则，无论是晶体管的排列还是连接晶体则，无论是晶体管的排列还是连接晶体管间的布线都是按照某种规则的方法进管间

24、的布线都是按照某种规则的方法进行设计的。对于这类通用电路的设计，行设计的。对于这类通用电路的设计，通常有以下的方法：通常有以下的方法：2021-10-16311.面向规则的面向规则的ROM集成电路版图设计语言集成电路版图设计语言编译。编译。2.面向随机的组合逻辑面向随机的组合逻辑PLA、PLD方法。方法。3.面向总线结构的栅陈列（面向总线结构的栅陈列（gate matrix）方法。方法。2021-10-1632 两个表示芯片费用及电性能的公式：两个表示芯片费用及电性能的公式： 每个芯片的总费用：每个芯片的总费用： N：总产量总产量 Cp：每个圆片的制造费用每个圆片的制造费用 CD：设计及制版费

25、：设计及制版费 n：圆片上芯片数圆片上芯片数 y：圆片成品率圆片成品率)/(/ynCNCCPDT2021-10-1633用芯片的最大延迟表示芯片的电性能用芯片的最大延迟表示芯片的电性能:Tpd：电路器件本身的延迟电路器件本身的延迟VL：最大电压：最大电压 CW：连线电容：连线电容IP：尖峰电流：尖峰电流 Cg：扇出电容：扇出电容pgwLpdopdICCVTT/)(2021-10-1634l从设计规模考虑：从设计规模考虑：设计成本、效率、质量、是相互制约的。设计成本、效率、质量、是相互制约的。如果设计一个高质量的版图，需要付出如果设计一个高质量的版图，需要付出较高的成本，同时使设计效率下降。反较

26、高的成本，同时使设计效率下降。反之，如果要求低成本和较高效率，那么之，如果要求低成本和较高效率，那么往往要在设计质量上作出某些让步。往往要在设计质量上作出某些让步。2021-10-1635设计成本集成度a0a1人工半自动全自动2021-10-1636 图中给出设计成本与集成度的关系。当图中给出设计成本与集成度的关系。当规模较小时，人工设计质量高，但成本规模较小时，人工设计质量高，但成本并不高。但当规模大时，人工设计成本并不高。但当规模大时，人工设计成本迅速增加而显示出自动设计的优越性。迅速增加而显示出自动设计的优越性。而半动设计在而半动设计在a0、a1区显示出其低成本的区显示出其低成本的优越性

27、。优越性。2021-10-1637l从设计产品的产量考虑：从设计产品的产量考虑： 芯片生产中平均每个管子的成本芯片生产中平均每个管子的成本C可用下可用下式表示：式表示： 当产量很低时，第一项设计成本起主要当产量很低时，第一项设计成本起主要作用，当产量很高时，单个芯片生产成作用，当产量很高时，单个芯片生产成本起主要作用。本起主要作用。总产量芯片上晶体管数总产量单个芯片生产成本芯片设计成本)()(C2021-10-16384系统封装系统封装 半导体器件复杂性和密度的急剧增加推半导体器件复杂性和密度的急剧增加推动了更加先进的动了更加先进的VLSI封装和互连方式的封装和互连方式的开发。目前，印刷电路板

28、（开发。目前，印刷电路板（printed Circuit Board-PCB）和多芯片模块和多芯片模块（Multi-Chip Modules-MCM）是两种主是两种主要的系统封装技术。要的系统封装技术。2021-10-1639 PCB和和MCM上的集成电路芯片的布局上的集成电路芯片的布局和它们之间的互连几乎与芯片上各种模和它们之间的互连几乎与芯片上各种模块的布局和互连相同。因此块的布局和互连相同。因此VLSI设计设计和和封装中的很多问题，如划分、布局、布封装中的很多问题，如划分、布局、布线都十分类似。线都十分类似。2021-10-1640一、印刷电路板一、印刷电路板 印刷电路板是一个多层布线层

29、的印刷电路板是一个多层布线层的“三明三明治治”。目前，集成电路的封装方法有三。目前，集成电路的封装方法有三种：双引直插式，引腿阵列式（种：双引直插式，引腿阵列式（PGA）和表面封装（和表面封装（SMD）。）。多层布线及多层布线及SMD的引进使布线更加复杂。的引进使布线更加复杂。2021-10-1641二、多芯片模块（二、多芯片模块（MCM） 多芯片模块是介于单芯片封装和多芯片模块是介于单芯片封装和PCB之间之间的一种封装技术。其中一种简单的多芯的一种封装技术。其中一种简单的多芯片模块技术将芯片直接安装在硅圆片上，片模块技术将芯片直接安装在硅圆片上，然后就在硅圆片上制作金属连线以完成然后就在硅圆

30、片上制作金属连线以完成芯片之间的互连。它可以克服由于电路芯片之间的互连。它可以克服由于电路复杂性和规模大而单个芯片容纳不下的复杂性和规模大而单个芯片容纳不下的困难，但又比单个芯片封装在困难，但又比单个芯片封装在PCB上的上的电性能好。电性能好。MCM的另一个优点是易于集的另一个优点是易于集成数学和模拟混合的系统。尤其适用于成数学和模拟混合的系统。尤其适用于通讯和个人便携式应用系统。通讯和个人便携式应用系统。2021-10-1642三、片上系统（三、片上系统（system on a chip)/圆片规圆片规模集成（模集成（wafer Scale Integration-WSI） MCM是将几个不

31、同电路制作在几个芯是将几个不同电路制作在几个芯片上，然后将几个芯片装在硅片上并进片上，然后将几个芯片装在硅片上并进行互连，而作为下一代集成技术的片上行互连，而作为下一代集成技术的片上系统（系统（SOC/WSI）则直接将这几个不同则直接将这几个不同电路制作在同一个芯片上，并在此芯片电路制作在同一个芯片上，并在此芯片上完成电路间的互连。上完成电路间的互连。SOC具有高性能、具有高性能、高密度、高集成度、高可保性和低费用高密度、高集成度、高可保性和低费用的优点，有着十分诱人的应用前景。但的优点，有着十分诱人的应用前景。但它目前仍遇到成品率和性能不稳定等缺它目前仍遇到成品率和性能不稳定等缺点，需要进一

32、步研究解决。点，需要进一步研究解决。2021-10-1643 速度速度密度质量因子密度质量因子 封装工艺封装工艺 质量因子（英寸质量因子（英寸/10-9秒）秒）（英寸英寸/英寸英寸2） WSI/SOC 28.0 MCM 14.0 PCB 2.22021-10-1644 显然，显然，MCM在速度、密度和费用上比在速度、密度和费用上比不上不上SOC，但但MCM允许多电源和工艺混允许多电源和工艺混合的电路。安装在合的电路。安装在MCM上的所有芯片可上的所有芯片可以预先测试，也可以更换。此外，基片以预先测试，也可以更换。此外，基片上的布线也可预先测试和修理。因此有上的布线也可预先测试和修理。因此有较大

33、的灵活性和比较大的灵活性和比SOC更高的成品率。更高的成品率。但但MCM的金属熔合和热消除是目前存在的金属熔合和热消除是目前存在的问题。的问题。2021-10-1645 第五节第五节 BBL布图规划与布局布图规划与布局 八十年代中的八十年代中的BBL问题问题l针对整个芯片的布局和布图规划针对整个芯片的布局和布图规划l典型系统是典型系统是BEAR - 采用模板枚举匹配和启发式算法采用模板枚举匹配和启发式算法 - 限于复杂性只能枚举限于复杂性只能枚举4个模块个模块 - 结果不理想结果不理想l首次提出用解析法求解布局问题首次提出用解析法求解布局问题 (Lu Sha)l应昌胜：边勾链数据结构和另一种解析法（势应昌胜：边勾链数据结构和另一种解析法（势能函数）求解布局问题能函数）求解布局问题（IEEE Trans. On CAD, EDAC, 国内学报）lFRACT - 基于基于BEAR的的B