2016vlsi设计基础5 -单元库

VLSI设计基础第5章单元库设计技术

（2016）东南大学单伟伟（2）

规则阵列的有什么特点？优点和缺点单元库设计技术是当今VLSI设计的主流技术。单元库是“专家系统”，是由经过精心设计和优化的电路单元模块组成。优点：设计方法简单（编程），不需完整制造工艺，只需少数几层mask，成本低，设计周期短→适合小批量生产缺点：性能差、集成密度低（ROM点阵的稀疏性）

当我们谈VLSI设计，我们谈什么？（3）本章概要：单元库概念标准单元设计技术标准单元库输入/输出单元

积木块设计技术（4）5.1单元库概念

门阵列的缺点假定un/up=2.5，N管宽长比W/L=1，若要求左图NOR2最坏情况下tr=tf，P管宽长比应为多少？（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多少？（假设电子/空穴迁移率比值=2.5）（W/L）=1/3（W/L）=5/25.1单元库概念

门阵列的缺点（6）5.1单元库概念单元库是“专家系统”是联系底层电路和上层设计的纽带，是VLSI设计的基础，借助这个设计技术可以获得性能优越的VLSIC。

（7）单元库设计技术的目标：全局和局部都被优化。

全局优化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结果。

局部优化则是通过对基本逻辑单元精心设计完成，两者的结合才能得到满意的设计结果。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完整的子系统。单元库分类：标准单元（Standardcell),IOcell,Memory(RAM,ROM)。5.1单元库概念优化的目标？真实的单元库揭秘

（标准单元库、IO库）（8）VLSI设计流程：系统设计->综合成网表->布局布线->版图（9）单元网表.subckt inhdv4 znivddvss.mn0znivssvssn12llw=350nl=60n.mp0znivddvddp12llw=500nl=60n.ends inhdv4通过版图抽取单元的实际网表供后仿真使用。单元Verilog模型（10）单元Lib库文件通过对单元网表的仿真将单元的时序、功耗等信息描述出来，供DC、PR、STA等后端设计步骤使用。单元版图描述实际半导体工艺生产时用到的各种掩膜层信息。单元版图Lib库文件Schematic原理图或网表仿真单元网表Framview文件Verilog模型cadenceLVS提取建库工具如siliconsmartMilkway单元建库的一般流程（12）每一个标准单元，在单元库中有相应的三个部分描述：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。一套标准单元库只能对应一条工艺线5.2

标准单元设计技术标准单元描述

（13）5.2

标准单元设计技术标准单元描述

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;

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;

单元的输入/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，各引出线的位置及间隔以某个数值单位进行量化。（14）示例:单元库版图，与ROM、门阵列有何不同？（15）5.2

标准单元设计技术一些示例:

SMIC0.18um标准单元库的datasheet示例:

（18）5.2

标准单元设计技术一些示例:读版图，这是什么逻辑单元

（19）AND-OR=AND-NOR-NOTAND-NOR5.2

标准单元设计技术一些示例:

标准单元的整体结构采用“行式结构”，单元拼接以后，单元行的电源和地线自动连在一起（20）5.2

标准单元设计技术因此，整体结构的电源、地线布线仅仅是对单元行外部进行。具体IC设计时，根据具体逻辑，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，决定布线通道的宽度，进行布线和I/O单元的连接，（21）单元行:（22）

首先，对输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。

其次，根据输入逻辑的网络进行布线，得到连接关系图。

最后，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程，通常分为三步。5.2

标准单元设计技术标准单元库设计

课堂练习:读版图，这是什么逻辑单元？

（23）（24）（25）（26）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，其内容是优化设计的逻辑单元版图，各单元的规模应相近，并遵循一致的引线规则。2.一个标准单元库内的所有单元遵循同一的工艺设计规则，一个单元库对应一条或一组完全相同的工艺线。也就是说，当工艺发生变化时，单元库必须修改或重建。3.不论是局部逻辑或是完整的集成电路或系统，用标准单元实现的版图采用“行式结构”，即各标准单元排列成行。5.2

标准单元设计技术标准单元库设计

任何一种设计技术、版图结构都需要输入/输出单元。想想看，I/O单元有什么作用？连接芯片内部与芯片外部系统（压焊块）重要的功能：对外的驱动对内提供内外的隔离和输入保护功能I/O单元的形式

I/OPAD不仅是压焊块，还有电路，需电源和地线连通。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。

大部分I/OPAD都是以标准单元的结构形式出现。通常具有等高不等宽的外部形状。5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）（28）1.输入单元

输入单元：承担对内部电路的保护主要目的是ESD（ElectrostaticDischarge）保护为什么需要ESD保护？ESD引起芯片失效，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。5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）（29）ESD保护的基本原理ESD防护的基本思想：让静电通过一个低阻抗并联通道进行放电，同时将ESD电压钳制在一个足够低的电平，避免硅/金属互连线烧毁或者栅氧化层击穿。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PN结的击穿特性。正向偏置的二极管或者反向偏置的二极管都可以作为ESD防护器件。（30）5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）双二极管、电阻结构的ESD保护电路单二极管、电阻结构的ESD保护电路（31）5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）思考：为什么双二极管结构的保护电路版图如此复杂？环状结构（32）补充：可控硅效应（闩锁效应latchup）标准CMOS工艺的器件结构存在寄生三极管，隐含着一个pnpn闩锁夹层，形成正反馈回路Latch－Up发生的条件是正反馈环路的环路增益大于1，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。防范措施：版图上做保护环，减小衬底和阱寄生阻抗的大小。衬底保护环，阱保护环可控硅效应(栓锁效应)（33）（34）P阱（35）有源区（36）多晶硅（37）P+区D1的阳极接电阻端D2的阳极接地（38）N+区D1的阴极接VddD2的隔离环D2的阴极，接电阻端（39）引线孔（40）金属（41）复合图（42）2.输出单元

思考：输出单元需要ESD保护吗？它的作用？输出单元的主要任务是提供一定的驱动能力。此外，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。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。5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）共用掺杂区：源共用、漏共用、源漏共用（I/OPAD）设计中需要用到的基础知识：回顾：

2.4.2大尺寸MOSFET的版图设计（44）倒相输出I/OPAD

5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）（45）5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）考虑输出单元的速度时，大尺寸电路的设计需考虑前级驱动问题。带大电容负载时，直接驱动会有什么后果？CLR0带大电容负载时的倒相器链驱动结构（46）倒相器链驱动结构倒相器链的总延时C0R0fCgR0总时间：

由于每一级的驱动能力放大倍，N级倒相器的驱动能力就放大了倍，所以。？R0/f每级比前级放大f倍一级倒相器的延时倒相器链中一级的延时（47）f的取值5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）（48）同相输出I/OPAD

同相输出实际上就是“倒相+倒相”，或采用类似于图5.7所示的偶数级的倒相器链。三态输出I/OPAD5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）（49）（50）（51）（52）（53）（54）（55）（56）开漏输出单元5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）（57）掩膜编程的输入输出单元

5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）P+P+P-N-（58）5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）（59）5.2

标准单元设计技术输入、输出单元（I/OPAD）（60）5.2

标准单