VLSI系統(tǒng)導論：第十章 設計系統(tǒng)

第十章設計系統(tǒng)設計系統(tǒng)的組織設計流程與軟件的應用1VLSI系統(tǒng)設計VLSI系統(tǒng)設計通常包括了兩個主要的設計層次：系統(tǒng)的硬件結構設計和系統(tǒng)的版圖設計。系統(tǒng)的硬件結構設計的目標是邏輯和電路，設計的結果是硬件邏輯、電路結構。系統(tǒng)設計通常從行為描述開始，到門級硬件結構結束。這個過程又被稱為邏輯設計。系統(tǒng)的版圖設計是針對具體的硬件結構，將硬件結構轉換為兩維平面上的幾何圖形的設計過程。這個過程又被稱為物理設計。2EDAdesignflow3VLSI設計系統(tǒng)設計系統(tǒng)是VLSI的設計工具，它為設計優(yōu)秀的VLSI系統(tǒng)提供了強有力的設計手段。離開了設計系統(tǒng)，VLSI系統(tǒng)設計不可能實現(xiàn)。設計系統(tǒng)除了提供硬件結構設計和版圖設計的工具外，還提供了仿真和檢查工具，以及其它輔助工具。4設計系統(tǒng)的組織

管理和支持軟件模塊數(shù)據(jù)庫應用軟件5管理和支持軟件模塊管理和支持軟件模塊是一個“主程序”，它負責組織各軟件的運行，管理數(shù)據(jù)庫，協(xié)調軟件與軟件、軟件與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)傳輸與交換，它甚至還要負責新軟件、新數(shù)據(jù)庫的添加、管理與協(xié)調?？傊?，它是一個軟件與數(shù)據(jù)庫的組織者與管理者。6數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是一切設計的基礎，沒有它，各軟件就失去了操作的對象，設計也就無從談起。數(shù)據(jù)庫包括兩個主要部分：基本數(shù)據(jù)庫和新建數(shù)據(jù)庫。基本數(shù)據(jù)庫通常是隨設計系統(tǒng)一起引入的，某些基本數(shù)據(jù)庫的內容可以修改，例如描述工藝規(guī)則參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。新建數(shù)據(jù)庫則是由使用者根據(jù)設計需要添加的數(shù)據(jù)庫，它不斷被積累擴充，它是基本數(shù)據(jù)庫的一種擴展。7數(shù)據(jù)庫邏輯單元庫邏輯單元庫的內容是各種邏輯單元的行為、符號，內部連接與外部端口的描述，是邏輯描述的基礎。當我們設計了新的邏輯單元模塊，并將它作為進一步設計的基本模塊時，我們就對邏輯單元庫進行了擴展。8數(shù)據(jù)庫2.工藝文件庫工藝文件庫通常包括了兩方面的內容：幾何設計規(guī)則和電學設計規(guī)則。任何VLSI系統(tǒng)的最終實現(xiàn)都必須經過工藝過程。在設計中，幾何設計規(guī)則是版圖設計與檢查的依據(jù)，電學規(guī)則則是仿真分析的依據(jù)。在設計中，人們往往忽視了工藝數(shù)據(jù)庫的作用，因為我們常?！翱床坏健惫に噷υO計的影響。實際上，工藝數(shù)據(jù)庫的內容和加工工藝是否一致，將直接影響到我們的仿真結果的真實性，影響到設計是否能在工藝線上實現(xiàn)的問題。9數(shù)據(jù)庫3.標準單元庫和積木單元庫是可選庫，如果采用標準單元實現(xiàn)設計則必須具備標準單元庫。標準單元庫通常有兩種類型：框加庫和完備庫?？蚣訋熘幻枋隽藰藴蕟卧耐負浣Y構，即外框描述，并不具備具體的標準單元版圖內容。版圖設計進行到布局、布線結束，最后的版圖由提供標準單元的廠家生成。完備庫則包含了具體的標準單元版圖，這些版圖以CIF、GDSII等格式描述。標準單元庫的來源有二：自建和選購。所謂自建就是由設計者針對某條工藝線的具體設計規(guī)則設計單元庫的版圖并驗證，選購則是選定具體的廠家的具體工藝線，購買該工藝線對應的標準單元庫。積木單元庫的情況與標準單元庫的情況相同。10StandardCell11數(shù)據(jù)庫4.輸入輸出（I/O）單元庫這是一個基本庫，它的庫單元通常是標準單元形式，但它是獨立于標準單元庫而存在的。這是因為即使沒有標準單元庫，輸入輸出單元庫也必須存在。同樣的，隨著設計系統(tǒng)的使用，輸入輸出單元庫也會不斷地得到擴充。12倒相輸出I/OPAD13應用軟件

1.邏輯設計類軟件邏輯設計入口主要有兩種：從行為級或寄存器傳輸級進入設計；從原始邏輯進入設計。前者是從待設計系統(tǒng)的行為或信號的傳輸形式（數(shù)據(jù)流、控制流）開始設計，采用邏輯綜合軟件實現(xiàn)門級邏輯結構。系統(tǒng)的行為和信號的傳輸形式的描述采用HDL，根據(jù)設計要求或已有的設計基礎，系統(tǒng)中的一部分描述也可以采用結構描述。即HDL的三種描述形式（行為、信號傳輸和結構描述）都可以作為邏輯綜合的輸入信息描述。從原始邏輯進入設計也是一種最常見的設計入口形式。所謂原始邏輯是指已有的邏輯結構，它通常是由中小規(guī)模集成電路“搭制”的分立系統(tǒng)，或以往綜合（或設計）得到的一些有用的模塊，用它作為系統(tǒng)設計的藍本，根據(jù)集成系統(tǒng)的特點進行邏輯再設計。邏輯輸入接口軟件采用人機交互圖形方式將邏輯輸入系統(tǒng)。實際上，以上兩種設計入口并不是絕對分離的，經常是結合了兩種方法實現(xiàn)設計。因為有時我們已具有了一些性能優(yōu)越的功能模塊，將這些模塊和其它的邏輯綜合的結果一起再進行綜合，得到系統(tǒng)的邏輯結構。14應用軟件2.仿真工具類軟件仿真工具類軟件主要有三類：邏輯模擬器，電路模擬器和時域分析器。邏輯模擬器對所設計的邏輯進行分析，模擬其在實際工作時的行為和狀態(tài)，用以驗證設計的正確性和檢查系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。邏輯模擬通常分為前模擬和后模擬，所謂前模擬是對初步完成的設計進行分析，后模擬則是對已完成了版圖設計的系統(tǒng)進行再模擬的過程，通過對加入了版圖分布參數(shù)的系統(tǒng)的再模擬，分析實際的集成系統(tǒng)的功能和性能。電路模擬軟件則是對電路細節(jié)進行分析的一個有用的工具。借助電路模擬軟件我們可以掌握電路對信號響應的詳細過程。對于含有模擬單元的VLSI系統(tǒng)，模擬單元的特性分析必須應用電路模擬軟件。對于數(shù)字系統(tǒng)，電路模擬軟件將幫助我們分析關鍵電路單元，優(yōu)化系統(tǒng)的性能。當我們需要了解信號在系統(tǒng)中傳輸中各節(jié)點的時間關系時，可以采用時域分析軟件。時域分析軟件檢查設計的延遲特性，可以用于定位具有延遲問題的信號通道。15應用軟件3.版圖設計類軟件在設計系統(tǒng)中的版圖設計有三種主要的方法：采用全自動的版圖生成方法，采用計算機輔助版圖設計方法，采用人工版圖設計方法。對應了三個主要的版圖設計軟件：版圖自動生成軟件，輔助版圖設計軟件和版圖編輯軟件。任何版圖的設計都必須遵循設計規(guī)則的規(guī)定。16應用軟件版圖設計類軟件--版圖自動生成技術根據(jù)系統(tǒng)邏輯直接由自動設計軟件產生與系統(tǒng)和工藝對應的版圖，幾乎不需要設計者介入，整個的版圖設計過程是全自動的。版圖自動生成軟件一旦被啟動，它就會根據(jù)原始輸入（如邏輯、格式要求等）自動地完成相關版圖的生成。每一個版圖自動生成軟件都將對應一種格式的版圖，如門陣列格式、標準單元格式等。版圖的布局布線完全自動進行，同時，也允許用戶進行控制以設計復雜的電路。有的軟件能夠自動地插入時鐘緩沖器，解決在芯片上時鐘的不對稱性。或者允許用戶對系統(tǒng)提出節(jié)點要求以滿足性能要求。版圖自動生成軟件的設計依據(jù)除了軟件自身算法外，外部所提供的設計依據(jù)是用戶要求信息、幾何設計規(guī)則和電學設計規(guī)則，這里電學設計規(guī)則提供了器件的驅動能力參數(shù)，以便于軟件分析是否需要插入驅動單元。17應用軟件版圖設計類軟件--計算機輔助版圖設計技術較高的自動化程度，主要設計過程由軟件完成，但使設計者具有更多的干預入口。整個版圖設計過程大致分為四個主要的步驟：全局布局，全局布線，詳細布局和最終布線。對于每一步，設計者都可以提出具體的要求或對設計提出修改。全局布局采用先進的布局算法對單元進行自動布局。全局布局的目標是在滿足時延要求的情況下，使布線密度和芯片面積最小。全局布線器分析設計的連接度和布線資源，對每個線網建立布線拓撲。全局布線器可以自動運行而不需要人工介入，但同時用戶也可以通過附加的設計要求控制布線。交互式預全局布線軟件允許用戶指定總線、電源、時鐘和其他關鍵信號。詳細布局是對原布局進行優(yōu)化，這個過程通常是通過大量的迭代計算完成。最終布線由通道布線器完成，先進的布線算法使得布線可以繞過積木塊和可變高度標準單元進行。18應用軟件版圖設計類軟件--版圖編輯技術版圖編輯軟件不是簡單的畫圖工具，它支持多種操作，如建立單元、調用單元、單元操作等。版圖編輯軟件通常都支持層次化的設計。有的版圖編輯軟件除了支持幾何版圖編輯，還支持參數(shù)化的單元?；镜膸缀伟鎴D編輯是對幾何圖形的操作。版圖編輯軟件設置了一些基元，如矩形、多邊形、圓等。所謂畫圖就是在計算機上直接繪制幾何圖形，所謂編輯就是對圖形進行操作，如圖形的拉伸、放大、縮小、切割，圖形的平移、對稱、旋轉，圖形的邏輯運算（與、或、非、異或），圖形的刪除與復制。將一些已建立的圖形作為單元，可以在設計中進行調用和操作，實現(xiàn)層次化的設計。版圖編輯對設計者提出了比較高的要求，設計者必須具有相關的版圖設計知識和經驗，對版圖有比較全面和較深刻的理解。同時還要求設計者具有相當?shù)钠骷⒐に嚺c電路基礎。較之前兩種設計技術，采用版圖編輯軟件進行VLSI系統(tǒng)設計可以獲得性價比較高的集成系統(tǒng)。19應用軟件4.校驗檢查類軟件在電路設計完成后，可以采用校驗檢查軟件對版圖進行檢查。這類軟件大致有四種：幾何設計規(guī)則檢查軟件，電學設計規(guī)則檢查軟件，版圖與電路圖一致性檢查軟件和分布參數(shù)提取軟件。20應用軟件校驗檢查類軟件--幾何設計規(guī)則檢查（DesignRuleCheck,DRC）幾何設計規(guī)則檢查是檢查版圖中各掩膜（MASK）相關層上圖形的各種尺寸，保證無一違反設計規(guī)則。幾何設計規(guī)則檢查對通過版圖編輯所得到的設計特別重要，因為在版圖編輯的過程中很難避免設計錯誤。幾何設計規(guī)則檢查通過比對工藝文件中的幾何設計規(guī)則，查出版圖上的錯誤并提示設計者進行修改。21應用軟件校驗檢查類軟件--電學設計規(guī)則檢查（ElectricalRuleCheck,ERC）電學設計規(guī)則檢查用于檢查由版圖所形成的電路是否存在違反一般電學規(guī)則的錯誤。常見的一般性錯誤包括：開路錯誤。短路錯誤。接觸孔浮空。特定層上圖形連接錯誤，如P型襯底未接地。器件電極連接錯誤，如PMOS襯底未接電源。器件端口連接數(shù)錯誤，如漏接或短接。器件扇出錯誤。22應用軟件校驗檢查類軟件--版圖與電路圖一致性檢查（Layoutvs.Schematic,LVS）一致性檢查是把從版圖所提取的電路網表與原設計的電路網表進行比對，檢查兩者在結構上是否一致。需要指出的是一致性檢查所查出的錯誤有時并不是錯誤。例如，為保證驅動能力，在版圖設計時添加了驅動單元或進行了驅動分組，導致版圖提取的邏輯電路與原設計出現(xiàn)偏差，一致性檢查時將它們也標識成錯誤。針對這種情況，一些一致性檢查軟件已能夠識別這種差異而不將其作為錯誤。23應用軟件校驗檢查類軟件--分布參數(shù)提取（LayoutParameterExtraction,LPE）所謂分布參數(shù)主要是指實際電路所存在的寄生電阻和寄生電容，它們是分布在整個芯片上的，對各個節(jié)點而言它們通常很小。但隨著器件尺寸的縮小和器件延遲特性的優(yōu)化，這些分布參數(shù)將不能被忽略。當版圖設計完成后，相應的分布參數(shù)也就可以算出。分布參數(shù)提取軟件就是用于實現(xiàn)對版圖分布參數(shù)的提取，通常將這些分布參數(shù)折算到各個相關節(jié)點。當版圖設計完成后所進行的所謂“后模擬”就是將這些分布參數(shù)引入到電路中，對引入了分布參數(shù)的實際的電路進行模擬（仿真）。24舉例：LPEOutput25應用軟件5.其它應用軟件大致包括：測試分析和測試生成軟件，版圖相關數(shù)據(jù)庫維護和更新軟件，以及數(shù)據(jù)轉換軟件。測試分析和測試生成軟件是兩種比較重要的軟件。測試分析軟件將對VLSI系統(tǒng)進行可測試性分析，提出各相關節(jié)點的測試難度。測試生成軟件則是對設計的結構產生測試矢量，用于將來的測試。版圖相關數(shù)據(jù)庫的維護和更新類軟件主要實現(xiàn)單元版圖庫的管理和更新。隨著工藝技術水平的不斷提高，工藝的特征尺寸不斷縮小，不斷地有新的設計規(guī)則產生。當引入了新的設計規(guī)則后，原有的單元版圖數(shù)據(jù)庫就不再適用，必須更新。但重新建一套新的單元版圖，其工作量非常龐大。單元版圖的更新（再生）軟件提供了單元版圖的再生方法，它對老的單元版圖進行處理，根據(jù)新的設計規(guī)則產生新的單元版圖。數(shù)據(jù)轉換軟件的工作是將不同格式的數(shù)據(jù)根據(jù)需要進行轉換。例如，描述版圖的數(shù)據(jù)格式并不能被直接用于掩膜版的制作，必須