清華大學VLSI8課件

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第八章 全定制設計模式2

§1全定制電路的結構化設計特征

結構化設計是由Mead和Conway首先提出來的，其目的是讓設計者能夠直接參加芯片設計以實現(xiàn)高性能系統(tǒng)。在結構化設計中采用以下幾方面的技術。3一、層次性：由于系統(tǒng)規(guī)模很大，設計復雜性很高，一般全定制設計首先進行系統(tǒng)劃分，將一個系統(tǒng)劃分成若干模塊，再將模塊劃分成更小的模塊，直至小模塊的復雜性達到合適的細節(jié)為止。劃分的原則之一是模塊間連線最少，而將聯(lián)系緊密的部分劃分在同一模塊內。5二、模塊性

一個系統(tǒng)或電路被劃分成模塊后，盡管每個模塊實現(xiàn)的電路功能并不相同，但它們都有一個明確定義的物理接口，此接口定義了模塊名稱、功能、層類、尺寸與外部互連端點的數(shù)目，名稱及位置等。模塊性有助于設計人員明確問題并做出文件接口，這樣可以將一個任務分成一組子任務，每個人只設計芯片的一部分。6三、規(guī)則性

采用單元重復的方法是結構化設計的一種好方法，這樣既簡化設計，又減少錯誤，同時使結構規(guī)則化。所謂規(guī)則化是指模塊內部可以隨功能而不同，但模塊間的接口如電源、地線、時鐘線、總線等可以是公共的。規(guī)則性可以在設計層次的所有級別上存在。7四、局部性

通過對模塊接口的很好定義，可以有效地使該模塊的內容變得對任何外部接口不再重要，可以將每個模塊看作一個黑盒子。設計時不關心模塊內部的情況，這樣減少了模塊表現(xiàn)的復雜性。9§2 幾種全定制設計方法

通常情況下，全定制設計中模塊的外形和放置位置都沒有限制，除了模塊所占區(qū)域以外的芯片區(qū)域都是布線區(qū)。模塊上也可以走三層以上的金屬線。因此，全定制設計模式除了要遵循基本的幾何設計規(guī)則，如：線寬、線間距、覆蓋、露頭等，沒有任何其它的物理限制。10

三種CAD工具用于全定制設計模式：

基于幾何圖形的交互圖形編輯符號法積木塊自動布圖2023/3/2511一、交互圖形編輯：

設計者將手工設計好的版圖用一個數(shù)字化儀輸入至計算機并進行編輯，可直接在屏幕上繪制版圖。編輯器提供有插入、移動、刪除、復制、拉伸等命令，還有聯(lián)機的的設計規(guī)則檢查功能，并輔以開窗、縮放、窗口移動等顯示功能雖然此方法設計效率低，設計時間長。但由于可得到高集成度和高性能的芯片，因而，此方面仍被廣泛用于大批量產品的設計中。2023/3/2513

由于手工設計方法不可避免地會產生錯誤。因此，必須在版圖編輯后進行版圖驗證。版圖驗證包括設計規(guī)則檢查、電學規(guī)則檢查、版圖與原理圖對照檢查以及電路網(wǎng)表提取，版圖寄生參數(shù)提取和后模擬。2023/3/2514

CAD公司在提供交互圖形編輯軟件的同時，也提供版圖驗證軟件。Cadence的Dracula就是一個十分著名的版圖驗證軟件。一個性能良好的版圖驗證軟件可以將設計錯誤消滅在芯片制造之前，確保芯片的正確性和一定的成品率。2023/3/2515

二、符號法版圖設計方法符號法版圖設計方法（symboliclayoutapproach）也是一種人工設計方法。它使用晶體管、通孔和連線的符號進行輸入和編輯并產生一個拓撲版圖。然后再根據(jù)給定的設計規(guī)則將它轉換成物理版圖。直接由拓撲版圖轉換而成的物理版圖往往有較多的冗余空間。因此，符號法版圖編輯器中還需要提供版圖壓縮功能，以優(yōu)化版圖面積。2023/3/2517

但由于目前還沒有高性能的二維壓縮工具，使符號法版圖設計方法的布圖密度低于手工設計的交互圖形編輯方法。Magic是一個著名的符號法版圖編輯器，它是由美國加州大學Berkeley分校開發(fā)的。有些實用系統(tǒng)把符號法和交互圖形編輯集成在一個系統(tǒng)中。如我國PNADA系統(tǒng)中，用戶可以用幾何圖形，也可以用器件符號進行版圖編輯。2023/3/2518三、積木塊自動布圖

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積木塊自動布圖（BuildingBlockLayout）又稱為任意形狀單元布圖，簡稱作BBL。限于實現(xiàn)的困難，大部分的BBL模式版圖都為矩形，也可有少量“T”型和“L”型。它們可被安置在芯片的任何位置上。其中模塊的版圖是預先設計好的。2023/3/2521

BBL模式既具有布圖密度高和布圖靈活的優(yōu)點，又具有自動設計高效率的優(yōu)點，它是一種很理想的設計方法。但由于BBL的布圖算法和布圖系統(tǒng)較其它設計方法復雜，目前還沒有一個很成功的實用系統(tǒng)。從系統(tǒng)的成本和它達到的目標相比，目前也沒有顯示出它比門陣列和標準單元設計方法更好。2023/3/2522

Cadence推出過一個叫SYMBED的BBL系統(tǒng)。美國加州大學Berkeley分校的BEAR系統(tǒng)是一個著名的BBL系統(tǒng)。它在算法、數(shù)據(jù)結構和系統(tǒng)構思方面都有很多創(chuàng)新。我國的PANDA系統(tǒng)中的FRACT系統(tǒng)是一個BBL設計工具，它是在BEAR的基礎上改進而成的。2023/3/2523

隨著工藝的快速發(fā)展。BBL布圖方法的研究也在不斷深入地進行，目前可以有非矩形的模塊，如L型、T型的形狀。問題的表示方法、布圖規(guī)劃、布局、布線算法的研究也在不斷進行?？紤]延遲、功耗、噪聲串擾等約束以及將布局與布線同時考慮的算法等。2023/3/2525

采用分級設計策略可有效地降低復雜性。如以布局為列，若原來復雜性為S=O(n2)，分級后先對模塊內進行布局，然后對整個芯片進行布局，則總的復雜性為：兩者工作量之比為：由于m<<n，所以其工作量大約是原來的1/m。分級設計會損失掉一些布圖變量。2023/3/2526§3 不同設計方法比較

設計方法的選擇與芯片性能要求、產品上市時間以及產品產量有關。表1比較了這些設計模式在版圖結構上的差別。表2比較了這些設計模式芯片面積，性能及制造方法上的不同。用戶可以根據(jù)自己對產品性能、批量大小和上市時間的要求，選擇相應的設計方法。2023/3/2529大批量的產品，如微處理器，存儲器等宜采用全定制設計方法。小批量ASIC產品則采用半定制的門陣列或宏單元陣列設計方法。單件、批量很小的產品、試驗電路則采用FPGA設計方法。電性能要求較高，而批量較小的產品，或中批量產品則采用標準單元設計方式。2023/3/2530定制電路的設計 定制電路是指一些通用電路的設計，由半導體生產廠家按標準規(guī)格生產出來的一系列電路：如ROM、EPROM、EEPROM、PLA、PLD及FPGA等等。這些芯片已經制好，只需將信息寫入即可工作。這種電路的特點是結構非常規(guī)則，無論是晶體管的排列還是連接晶體管間的布線都是按照某種規(guī)則的方法進行設計的。對于這類通用電路的設計，通常有以下的方法：2023/3/25311.面向規(guī)則的ROM集成電路版圖設計語言編譯。2.面向隨機的組合邏輯PLA、PLD方法。3.面向總線結構的柵陳列（gatematrix）方法。2023/3/2532

兩個表示芯片費用及電性能的公式：

每個芯片的總費用：

N：總產量

Cp：每個圓片的制造費用

CD：設計及制版費

n：圓片上芯片數(shù)

y：圓片成品率2023/3/2533用芯片的最大延遲表示芯片的電性能:Tpd：電路器件本身的延遲VL：最大電壓CW：連線電容IP：尖峰電流Cg：扇出電容2023/3/2534從設計規(guī)?？紤]： 設計成本、效率、質量、是相互制約的。如果設計一個高質量的版圖，需要付出較高的成本，同時使設計效率下降。反之，如果要求低成本和較高效率，那么往往要在設計質量上作出某些讓步。

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圖中給出設計成本與集成度的關系。當規(guī)模較小時，人工設計質量高，但成本并不高。但當規(guī)模大時，人工設計成本迅速增加而顯示出自動設計的優(yōu)越性。而半動設計在a0、a1區(qū)顯示出其低成本的優(yōu)越性。2023/3/2537從設計產品的產量考慮：芯片生產中平均每個管子的成本C可用下式表示：

當產量很低時，第一項設計成本起主要作用，當產量很高時，單個芯片生產成本起主要作用。2023/3/2538§4系統(tǒng)封裝

半導體器件復雜性和密度的急劇增加推動了更加先進的VLSI封裝和互連方式的開發(fā)。目前，印刷電路板（printedCircuitBoard-PCB）和多芯片模塊（Multi-ChipModules-MCM）是兩種主要的系統(tǒng)封裝技術。

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PCB和MCM上的集成電路芯片的布局和它們之間的互連幾乎與芯片上各種模塊的布局和互連相同。因此VLSI設計和封裝中的很多問題，如劃分、布局、布線都十分類似。2023/3/2540一、印刷電路板印刷電路板是一個多層布線層的“三明治”。目前，集成電路的封裝方法有三種：雙引直插式，引腿陣列式（PGA）和表面封裝（SMD）。多層布線及SMD的引進使布線更加復雜。2023/3/2541二、多芯片模塊（MCM）多芯片模塊是介于單芯片封裝和PCB之間的一種封裝技術。其中一種簡單的多芯片模塊技術將芯片直接安裝在硅圓片上，然后就在硅圓片上制作金屬連線以完成芯片之間的互連。它可以克服由于電路復雜性和規(guī)模大而單個芯片容納不下的困難，但又比單個芯片封裝在PCB上的電性能好。MCM的另一個優(yōu)點是易于集成數(shù)學和模擬混合的系統(tǒng)。尤其適用于通訊和個人便攜式應用系統(tǒng)。2023/3/2542三、片上系統(tǒng)（systemonachip)/圓片規(guī)模集成（waferScaleIntegration-WSI）MCM是將幾個不同電路制作在幾個芯片上，然后將幾個芯片裝在硅片上并進行互連，而作為下一代集成技術的片上系統(tǒng)（SOC/WSI）則直接將這幾個不同電路制作在同一個芯片上，并在此芯片上完成電路間的互連。SOC具有高性能、高密度、高集成度、高可保性和低費用的優(yōu)點，有著十分誘人的應用前景。但它目前仍遇到成品率和性能不穩(wěn)定等缺點，需要進一步研究解決。2023/3/2543

速度——密度質量因子封裝工藝 質量因子（英寸/10-9秒）×（英寸/英寸2）

WSI/SOC28.0 MCM 14.0 PCB 2.2 2023/3/2544

顯然，MCM在速度、密度和費用上比不上SOC，但MCM允許多電源和工藝混合的電路。安裝在MCM上的所有芯片可以預先測試，也可以更換。此外，基片上的布線也可預先測試和修理。因此有較大的靈活性和比SOC更高的成品率。但MCM的金屬熔合和熱消除是目前存在的問題。2023/3/2545

第五節(jié)BBL布圖規(guī)劃與布局

八十年代中的BBL問題針對整個芯片的布局和布圖規(guī)劃典型系統(tǒng)是BEAR--采用模板枚舉匹配和啟發(fā)式算法--限于復雜性只能枚舉4個模塊--結果不理想首次提出用解析法求解布局問題(LuSha)應昌勝：邊勾鏈數(shù)據(jù)結構和另一種解析法（勢能函數(shù)）求解布局問題（IEEETrans.OnCAD,EDAC,國內學報）FRACT--

基于BEAR的BBL系統(tǒng)(七五、八五）2023/3/2546新一代的BBL問題九十年代中針對甚大規(guī)模和分級設計的需要提出，希望優(yōu)化時延、面積、噪聲和功耗。考慮所需緩沖單元的布局。滿足多種約束：芯片寬長比、多邊形模塊、多邊形芯片外框、固定方位模塊、固定位置模塊、固定障礙等。可應用于晶體管級的布局問題（另加約束）多采用隨機優(yōu)化方法：模擬退火、模擬進化等布圖表示成為關鍵可分為Slicing和Non-slicing兩大類2023/3/2547

Slicing結構和Non-Slicing結構Non-Slicing結構布圖密度更高處理特殊問題較方便日益受到重視Slicing結構

數(shù)據(jù)表示容易通道定義方便計算復雜性較低2023/3/2548

各種不同模型的比較計算復雜性

binarytreeSPBSGO-treeCBL

O(n)O(n2)O(n2)O(n)*O(n)搜索空間