东南电子系VLSI课件5_r

1、VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 VLSI设计基础设计基础第第5章章 单元库设计技术单元库设计技术 （2010-2010）VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （2）n 规则阵列的优缺点规则阵列的优缺点u优点：不需要完整的制造工艺，只需少数几层优点：不需要完整的制造工艺，只需少数几层maskmask，成本低，成本低，设计周期短设计周期短 适合小批量生产适合小批量生产u缺点：性能差、集成密度低（缺点：性能差、集成密度低（ROMROM点阵的稀疏性）点阵的稀疏性）n单元库设计技术单

2、元库设计技术n是当今是当今VLSI设计的主要技术之一，借助这个设计技术可以获得设计的主要技术之一，借助这个设计技术可以获得性能优越的性能优越的VLSIC。n单元库是单元库是“专家系统专家系统”，是由经过精心设计和优化的电路单元，是由经过精心设计和优化的电路单元模块组成。为我们提供了性能优越的模块组成。为我们提供了性能优越的“高级高级”设计平台。设计平台。VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （3）本章概要：本章概要：单元库概念单元库概念 标准单元设计技术标准单元设计技术 积木块设计技术积木块设计技术 单元库技术所面对的是具有一定逻辑操作

3、和运算功能的部单元库技术所面对的是具有一定逻辑操作和运算功能的部件，它可能是一个逻辑门或是一个功能块，甚至是一个功能相对件，它可能是一个逻辑门或是一个功能块，甚至是一个功能相对完整的子系统。完整的子系统。 VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （4）.1 .15.1 单元库概念单元库概念门阵列的缺点门阵列的缺点VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （5）(W/L)p=5, (W/L)n=1, 最坏情况下的上升时间与下降时间的比为：最坏情况下的上升时间与下降时间的比为：1 : 3

4、（假设电子（假设电子/空穴迁移率比值空穴迁移率比值=2.5）（W/L）=1/3（W/L）=5/2.1 .15.1 单元库概念单元库概念门阵列的缺点门阵列的缺点VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （6） 单元库设计技术的目标：单元库设计技术的目标：全局和局部都被优化全局和局部都被优化。 全局优化全局优化是由设计系统对逻辑单元进行布局和布是由设计系统对逻辑单元进行布局和布线优化迭代完成，生成符合某些目标函数要求的设计线优化迭代完成，生成符合某些目标函数要求的设计结果。结果。局部优化局部优化则是通过对基本逻辑单元精心设计完则是通过对基本逻辑

5、单元精心设计完成，两者的结合才能得到满意的设计结果。成，两者的结合才能得到满意的设计结果。 5.1 单元库概念单元库概念.1 .1VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （7）5.2 标准单元设计技术标准单元设计技术标准单元描述标准单元描述 标准单元设计技术，是指采用经过精心设计的逻辑单元标准单元设计技术，是指采用经过精心设计的逻辑单元版图，按芯片的功能要求排列而成集成电路的设计技术。版图，按芯片的功能要求排列而成集成电路的设计技术。标准单元具有下列特征标准单元具有下列特征: 具有相同的高度，可以具有不同的宽度具有相同的高度，可以具有不同

6、的宽度; 单元的电源线和地线通单元的上下端，从单元的左右两侧单元的电源线和地线通单元的上下端，从单元的左右两侧同时出线，电源、地线在两侧的位置相同，线的宽度一致同时出线，电源、地线在两侧的位置相同，线的宽度一致; 单元的输入单元的输入/输出端安排在单元的上下两边，要求至少有一输出端安排在单元的上下两边，要求至少有一个信号端可以在单元的上边和下边两个方向同时引出，各引个信号端可以在单元的上边和下边两个方向同时引出，各引出线的位置及间隔以某个数值单位进行量化。出线的位置及间隔以某个数值单位进行量化。 .2 .2VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工

7、程学院 （8）示例示例: :.2 .2VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （9）回顾：回顾： 2.4.2 大尺寸大尺寸MOSFET的版图设计的版图设计.4 .4共用掺杂区：源共用、漏共用、源漏共用共用掺杂区：源共用、漏共用、源漏共用VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （10）.2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术标准单元描述标准单元描述 VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （11）可控硅效应（闩锁效应可控

8、硅效应（闩锁效应 latch up）寄生三级管寄生三级管 标准标准CMOS工艺的器件结构隐含着一个工艺的器件结构隐含着一个pnpn闩锁夹层，闩锁夹层，形成正回馈回路 LatchUp发生的条件是正反馈环路的环路增益大于发生的条件是正反馈环路的环路增益大于1，并且存，并且存在某种原因使得至少有一个双极型晶体管进入正向有源工作区。在某种原因使得至少有一个双极型晶体管进入正向有源工作区。 防范措施：版图上做保护环来减小衬底和阱寄生阻抗的大小。防范措施：版图上做保护环来减小衬底和阱寄生阻抗的大小。VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （12）.2

9、 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术一些示例一些示例: : VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （13）.2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术一些示例一些示例: : VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （14）AND-OR=AND-NOR-NOT AND-NOR .2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术一些示例一些示例: : VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （15）由于标准单元的整

10、体结构采用由于标准单元的整体结构采用“行式结构行式结构”，单元，单元拼接以后，单元行的电源和地线自动连在一起。拼接以后，单元行的电源和地线自动连在一起。因此，整体结构的电源、地线布线仅仅是对单元行因此，整体结构的电源、地线布线仅仅是对单元行外部进行。外部进行。根据具体的逻辑，将相应的标准单元从单元库中调根据具体的逻辑，将相应的标准单元从单元库中调出，排列成行，根据相邻两行的需要，决定布线通道出，排列成行，根据相邻两行的需要，决定布线通道的宽度，进行布线和的宽度，进行布线和I/O单元的连接，即可完成具体单元的连接，即可完成具体集成电路的设计。集成电路的设计。 .2 .25.2 标准单元设计技术标

11、准单元设计技术VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （16）.2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （17）.2 .2单元行单元行: :VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （18） 对于每一个标准单元，在单元库中有相应的三个部分描述：对于每一个标准单元，在单元库中有相应的三个部分描述：单元逻辑符号，单元拓扑，单元版图。单元逻辑符号，单元拓扑，单元版图。 逻辑符号描述是一个图

12、形符号，它代表一个逻辑。逻辑符号描述是一个图形符号，它代表一个逻辑。 单元拓扑是对单元的外部尺寸和出线位置的描述。单元拓扑是对单元的外部尺寸和出线位置的描述。 单元版图由人工设计，标准单元的版图和工艺选择、工艺单元版图由人工设计，标准单元的版图和工艺选择、工艺水平关系很大。水平关系很大。一套标准单元库只能对应一条工艺线一套标准单元库只能对应一条工艺线。 .2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术标准单元库设计标准单元库设计 VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （19） 首先首先，对输入逻辑进行标准单元结构的布局，这时采用，对输

13、入逻辑进行标准单元结构的布局，这时采用的是标准单元库中单元拓扑图。的是标准单元库中单元拓扑图。 其次其次，根据输入逻辑的网络进行布线，得到连接关系图。，根据输入逻辑的网络进行布线，得到连接关系图。 最后最后，将单元版图填入单元拓扑，并将线网连接关系转，将单元版图填入单元拓扑，并将线网连接关系转换为具体的布线即线网的几何图形。而单元的逻辑符号仅换为具体的布线即线网的几何图形。而单元的逻辑符号仅仅是用于原理图编辑和模拟。仅是用于原理图编辑和模拟。 用标准单元技术实现集成电路或集成系统的过用标准单元技术实现集成电路或集成系统的过程，通常分为三步。程，通常分为三步。5.2 标准单元设计技术标准单元设计

14、技术标准单元库设计标准单元库设计 VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （20）标准单元设计技术的特点：标准单元设计技术的特点： 1. 标准单元是一个具有规则外部形状的单元，其内容是标准单元是一个具有规则外部形状的单元，其内容是优化设计的逻辑单元优化设计的逻辑单元版图版图，各单元的规模应相近，并遵，各单元的规模应相近，并遵循一致的引线规则。循一致的引线规则。2. 一个标准单元库内的所有单元遵循同一的工艺设计规一个标准单元库内的所有单元遵循同一的工艺设计规则，一个则，一个单元库对应一条或一组完全相同的工艺线单元库对应一条或一组完全相同的工

15、艺线。也。也就是说，当工艺发生变化时，单元库必须就是说，当工艺发生变化时，单元库必须修改或重建修改或重建。3. 不论是局部逻辑或是完整的集成电路或系统，用标准不论是局部逻辑或是完整的集成电路或系统，用标准单元实现的版图采用单元实现的版图采用“行式结构行式结构”，即各标准单元排列，即各标准单元排列成行。成行。.2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术标准单元库设计标准单元库设计 VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （21） 任何一种设计技术、版图结构都需要输入任何一种设计技术、版图结构都需要输入/输出单元。大部分输出单元。大部分

16、I/O PAD都是以标准单元的结构形式出现。这些都是以标准单元的结构形式出现。这些I/O PAD单元通常单元通常具有等高不等宽的外部形状。具有等高不等宽的外部形状。 现代设计理论提倡将现代设计理论提倡将IC的内部结构和外部信号接口分开设计。的内部结构和外部信号接口分开设计。所以，承担输入、输出信号接口的所以，承担输入、输出信号接口的I/O单元就不再仅仅是压焊块，单元就不再仅仅是压焊块，而是具有一定功能的功能块。这些功能块担负着对外的驱动，内而是具有一定功能的功能块。这些功能块担负着对外的驱动，内外的隔离、输入保护或其他接口功能，这就要求将电源和地线通外的隔离、输入保护或其他接口功能，这就要求将

17、电源和地线通达这些达这些I/O PAD。 这些单元的一个共同之处是都有压焊块，用于连接芯片与封这些单元的一个共同之处是都有压焊块，用于连接芯片与封装管座，这些压焊块通常是边长几十微米的矩形。装管座，这些压焊块通常是边长几十微米的矩形。 .2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术输入、输出单元输入、输出单元（I/O PAD）VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （22）1. 输入单元输入单元 输入单元主要承担对内部电路的保护，输入保护分为输入单元主要承担对内部电路的保护，输入保护分为单二极管、电阻结构和双二极管、电阻结构，还可利用

18、单二极管、电阻结构和双二极管、电阻结构，还可利用PN结的击穿特性。结的击穿特性。主要目的是主要目的是ESD（Electrostatic Discharge）保护。）保护。 为什么需要为什么需要ESD保护？保护？ESD引起的芯片失效包括两种机制：瞬态高电流所产生的局部高热量引起硅半导体材料或者金属互连线烧毁；ESD放电过程产生的高电压使得芯片上的栅氧化层击穿。.2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术输入、输出单元输入、输出单元（I/O PAD）VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （23）ESD保护的基本原理保护的基本原理ESD

19、防护的基本思想是：让防护的基本思想是：让ESD通过一个通过一个低阻抗并联通道进行放电并同时将低阻抗并联通道进行放电并同时将ESD电电压钳制在某一个足够低的电平，避免硅压钳制在某一个足够低的电平，避免硅/金金属互连线烧毁或者栅氧化层击穿。属互连线烧毁或者栅氧化层击穿。正向偏置的二极管或者反向偏置的二极管正向偏置的二极管或者反向偏置的二极管都可以作为都可以作为ESD防护器件。防护器件。VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （24）.2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术输入、输出单元输入、输出单元（I/O PAD）VLSIVLSI

20、设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （25）2. 输出单元输出单元 输出单元的主要任务是提供一定的驱动能力，输出单元的主要任务是提供一定的驱动能力，防止内部逻辑过负荷而损坏。另一方面，输出单元防止内部逻辑过负荷而损坏。另一方面，输出单元还承担了一定的逻辑功能，单元具有一定的可操作还承担了一定的逻辑功能，单元具有一定的可操作性。与输入电路相比，输出单元的电路形式比较多。性。与输入电路相比，输出单元的电路形式比较多。 主要的输出单元包括：倒相输出、同相输出、主要的输出单元包括：倒相输出、同相输出、三态输出，以及金属掩膜编程的输入输出单元。三态输出，以及金

21、属掩膜编程的输入输出单元。 5.2 标准单元设计技术标准单元设计技术输入、输出单元输入、输出单元（I/O PAD）.2 .2VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （26）倒相输出倒相输出I/O PAD .2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术输入、输出单元输入、输出单元（I/O PAD）VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （27）.2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术输入、输出单元输入、输出单元（I/O PAD）倒相器链驱动结构倒相器链驱动结构VLSIVL

22、SI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （28）倒相器链驱动结构倒相器链驱动结构为什么倒相器链驱动？为什么倒相器链驱动？CgR0gCR0f CgR0fCRfg0YCCgL Yttolf2f3fNfffff总时间：总时间： fN 由于每一级的驱动能力放大由于每一级的驱动能力放大 倍，倍，N级倒相器的驱动能力就放大了级倒相器的驱动能力就放大了 倍，所倍，所以以 。fNfYfNfYNlnlnYfffNttollnln？R0/f每级比前级放大每级比前级放大f 倍倍.2 .2VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与

23、工程学院 （29）f 的取值的取值.2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术输入、输出单元输入、输出单元（I/O PAD）VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （30）同相输出同相输出I/O PAD 同相输出实际上就是同相输出实际上就是“倒相倒相+倒相倒相”，或采用，或采用类似于图类似于图5.7所示的偶数级的倒相器链。所示的偶数级的倒相器链。 三态输出三态输出I/O PAD .2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术输入、输出单元输入、输出单元（I/O PAD）VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与

24、工程学院东南大学电子科学与工程学院 （31）.2 .2VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （32）.2 .2VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （33）.2 .2VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （34）.2 .2VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （35）.2 .2VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （36）.2 .2VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （37）.2 .2VLSIVLSI设计基础设计基础-5-5 东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院 （38）开漏输出单元开漏输出单元NNiAAAAAAb2121.2 .25.2 标准单元设计技术标准单元设计技术输入、输出单元输入、输出单元（