標準單元技術(shù)

標準單元技術(shù)第1頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign2邏輯單元庫是ASIC設(shè)計流程中用到的構(gòu)建模塊的集合。由于這種庫具有通用接口實現(xiàn)和規(guī)則結(jié)構(gòu)，所以通常稱為“標準單元”庫。開發(fā)標準單元庫的原因：對于全定制設(shè)計來說，獨立模塊的規(guī)模過于龐大和復雜，因此就存在著加快電路和版圖設(shè)計過程的需要。缺乏具有手工實現(xiàn)復雜全定制模塊設(shè)計能力的專業(yè)人員，而自動化工具緩解了這個問題。典型加工工藝的進步，包括布線金屬層從1層金屬增加到2層金屬或3層金屬。對最佳結(jié)果的實現(xiàn)，這進一步增加了全定制版圖設(shè)計過程的復雜性。甚至在全定制設(shè)計流程中，當構(gòu)建模塊以預定義的標準來實現(xiàn)時，規(guī)模在20個單元以上的布局布線會更加容易。而單元接口的標準化在庫中就可以實現(xiàn)了。開發(fā)標準單元庫的原因第2頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign3雖然標準單元主要用于專用集成電路（ASIC）設(shè)計，然而這一設(shè)計方法也廣泛應(yīng)用于實現(xiàn)全定制設(shè)計中的“不規(guī)整邏輯”。一個典型的標準單元庫由幾百個單元，而高級的庫則有1000個以上的單元。有些單元庫會針對低功耗、高速和高空隙率而進行專門設(shè)計、開發(fā)。

空隙率：可全部用于布線的面積與整個單元面積的比率。經(jīng)典的布線器是以基于網(wǎng)格的。網(wǎng)格布線器要遵循的約束條件：導線只能有幾種固定的寬度；導線只能放在預先確定了坐標的網(wǎng)格上。標準網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter第3頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign4“l(fā)ayerrules”和“physicalrules”都在庫文件“techfile”中。一般“techfile”中包含以下內(nèi)容：

CONTROLS：“maskGrid0.01”LAYERDEFINITIONLAYERRULESPHYSICALRULESDEVICESLXRULES標準網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter第4頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign5techfile-LAYERRULES

標準網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter“POLY2”isconnectedto“MET1”with“CNT”;“MET1”isconnectedto“MET2”with“VIA1”;……

第5頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign6techfile-PHYSICALRULES

標準網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouterpleaserememberthesedefinitions:width、space、area、enclosure、overlap、extension第6頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign7techfile-PHYSICALRULES最小寬度minWidth:封閉幾何圖形的內(nèi)邊之間的距離。

標準網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter

在利用DRC（設(shè)計規(guī)則檢查）對版圖進行幾何規(guī)則檢查時，對于寬度低于規(guī)則中指定的最小寬度的幾何圖形，工具將會給出錯誤的提示。第7頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign8techfile-PHYSICALRULES最小間距minSpacing:各幾何圖形外邊界之間的距離。

標準網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter第8頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign9techfile-PHYSICALRULES最小交疊minOverlap:

交疊有兩種形式：

a.一幾何圖形內(nèi)邊界到另一圖形的內(nèi)邊界長度（overlap）

b.一幾何圖形外邊界到另一圖形的內(nèi)邊界長度（extension）

標準網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter第9頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign10techfile-PHYSICALRULES

標準網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouterpleasekeeptheserulesinyourmindanddon’tviolatethemwhenyoulayout.第10頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign11techfile-PHYSICALRULES

標準網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouterThewidthof“NWELL”mustbegreaterthanorequaltothe“minWidth=1.2microns”;andthespaceoftwo“NWELLs”mustbegreaterthanorequaltothe“minSpacing=0.6microns”.NWELLNWELL≧minSpacing≧minWidth第11頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign12coarsegridexample:

標準網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouterMinimumwireis1micron,minimumspacingis1micron,therefore,ourtwowiresuse3microns,andwehaveestablishedcenter-to-centergridspacingof2micronsforthisprocess.2microns1microns1microns1microns第12頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign13標準網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouterdeterminingourminimumwirewidthsandminimumspacingbetweenwiresdictatehowcoarseorfineourgridwillbe.“designrulesdeterminegridsize.”thegrid-basedroutercanonlyplacewiresalongourgridlines,fromintersectiontointersection.第13頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign14標準網(wǎng)格-規(guī)則式布線器rule-basedrouter不同工藝層上的金屬線寬及其間距都有不同的最小寬度，如果我們要使所有的網(wǎng)格都采用同樣的尺寸，那么我們只能統(tǒng)一地采用芯片上尺寸要求最大的那個工藝層上的尺寸?！皉ule-basedrouter:usestherealdesignrulesforeachlayer,insteadofusingafixedgrid.”大多數(shù)人采用grid-basedrouter，因為它簡單；如果采用rule-basedrouter，緊湊，節(jié)省版圖空間。第14頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign15thedifferencebetween“via”and“contact”:contact：connectthemetalsofdifferentlayersvia:connecttheterminaltometal

generallyspeaking,thedefaultpreferredroutingdirection:metal1-horizontalmetal2-verticalmetal3-horizontalmetal4-vertical定向型工藝層技術(shù)routingsimplybenefitreducecross-talk第15頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign16“小的轉(zhuǎn)向不必改換金屬層”

（注：此處的“小”指只有一兩個網(wǎng)格的轉(zhuǎn)向）原因：

1.如果用metal2來安排這些小而短的轉(zhuǎn)向，就再也不能在他們之間提供另外的布線機會了；

2.可能會造成很高的電阻；

3.via不易刻蝕。定向型工藝層技術(shù)unnecessary,othermetal2scantroutehere第16頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign17對齊輸入輸出：輸入A和輸出Z不能隨意放置。它們必須像所有的連線一樣位于同樣的網(wǎng)格上。保證標準單元的所有輸入輸出不僅在x網(wǎng)格上，還要在y網(wǎng)格上。要保證自動布線軟件在水平方向和垂直方向都能找到它們。保證所有的庫單元以及庫單元內(nèi)部的器件符合網(wǎng)格規(guī)則。網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計規(guī)則AZPNVDDVSS第17頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign18高度固定，寬度可變：為了保持結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，所有的門都必須服從固定高度設(shè)置。如果需要有較大驅(qū)動能力的晶體管，只要使單元變寬并分割晶體管使之能放在軌線之內(nèi)就可以了。最小單元高度由通過模擬得到的晶體管尺寸以及為庫所選擇的網(wǎng)格決定。一般選擇的高度要略大于這個最小高度，來作為電源線和地線的布線溝道。采用高度固定的庫的優(yōu)點：如將所有的門挨個擺放，電源線、地線就很容易布線。數(shù)字庫:高度固定，寬度可變。(fixedheight,variablewidth.)

大多數(shù)庫都是這樣的。對于數(shù)字版圖，特別是標準單元版圖，是唯一可行的方式。在模擬版圖設(shè)計中也非常有用，甚至是全定制的AIC。網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計規(guī)則第18頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign19公用N阱：典型的CMOS工藝通常都有一個關(guān)于N阱間距的規(guī)則，這個間距要求很大，而晶體管的間距要求，要比N阱的間距小得多?？梢栽O(shè)計一個大的單個的N阱來節(jié)省空間。

N阱間距限制晶體管間距限制網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計規(guī)則nwellspacingdevicespacing第19頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign20如果軌線延伸到單元邊緣，那么把這些單元對接，就形成了一條很長的電源軌線帶。網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計規(guī)則powerground第20頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign21半網(wǎng)格單元尺寸：half-gridcellsizing所有單元內(nèi)部的導線都處于網(wǎng)格上，而相互對接單元的邊緣落在兩條網(wǎng)格線的中間，即處于半個網(wǎng)格的位置上。由于單元可以在各個方向?qū)?，所以一個單元的每一邊（上、下、左、右）都應(yīng)當落在半個網(wǎng)格的位置上。網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計規(guī)則powerrailbuttingedgeson-gridwiregridpoint第21頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign22半尺寸設(shè)計規(guī)則：half-designrule為了使兩個對接單元間的晶體管也有最小間距，每一個晶體管就應(yīng)當距離單元邊沿至少有一半的最小間距。網(wǎng)格決定了庫單元的設(shè)計。每一樣東西都必須放在網(wǎng)格上，所有的單元都必須服從半網(wǎng)格的規(guī)則。網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計規(guī)則powerrailbuttingedgesgridpointminimumdistancehalfminimumdistance第22頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign23布線通道：routingchannels在標準單元中，電源線和地線可能和單元統(tǒng)一尺寸，即到邊沿為止。當把許多這樣的單元放到一起成排時，單元線和地線就相互對接了起來，形成了vdd和vss帶。當有很多行和列的單元時，單元行交替反轉(zhuǎn)才能使vdd和vss連接點接觸利于布線。網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計規(guī)則VDDVSSVDDVSSVSSVDDVDD第23頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign24布線通道：routingchannels如果有許多的金屬層，電源軌線和單元的尺寸一樣是極好的辦法，設(shè)計可以非常緊湊，可以用metal3/4/5來滿足其他布線需要。對于只有極少數(shù)金屬層的標準單元庫所采用的一個策略就是，在單元結(jié)構(gòu)的上下即軌線的外面留出一些空隙，這些空隙就是所謂的布線通道。布線通道可以是所希望的任何高度。這樣做的好處：

1.留出空間供布線；

2.單元無需翻轉(zhuǎn)；

3.易于軟件編程。網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計規(guī)則第24頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月schoolofphyebasicsoficlayoutdesign25