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1、VLSI设计基础 第5章单元库设计技术 2012 2 单元库设计技术是当今VLSI设计的主要技术之一 借助这个设计技术可以获得性能优越的VLSIC 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所组成 单元库提供了性能优越的 高级 设计平台 使我们的设计建立在高水平的设计基础之上 3 本章概要 单元库概念标准单元设计技术积木块设计技术 4 单元库技术所面对的直接是逻辑部件 即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
2、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 5 1单元库概念 1 5 1 5 1单元库概念为什么要采用单元库技术 6 示例 2 7 5 2标准单元设计技术标准单元描述 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 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
3、间隔以某个数值单位进行量化 2 8 2 5 2标准单元设计技术标准单元描述 9 2 5 2标准单元设计技术一些示例 10 2 5 2标准单元设计技术一些示例 11 AND OR AND NOR NOTAND NOR 2 5 2标准单元设计技术一些示例 12 由于标准单元的整体结构与门阵列相近 都采用 行式结构 因此其总体结构的设计准则与门阵列的设计准则也相近 因为单元拼接以后 单元行的电源和地线实际上已经自动连在一起 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
4、 即可完成具体集成电路的设计 2 5 2标准单元设计技术 13 2 5 2标准单元设计技术 14 2 单元行 15 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 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 2 5 2标准单元设计技术标准单元库设计 16 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
5、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 17 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 2 5 2标准单元设计技
6、术标准单元库设计 18 任何一种设计技术 版图结构都需要输入 输出单元 大部分I OPAD都是以标准单元的结构形式出现 这些I OPAD单元通常具有等高不等宽的外部形状 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 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 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达这些I OPAD 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 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I OPAD 19 1 输入单元 输入单元主
7、要承担对内部电路的保护 一般认为外部信号的驱动能力足够大 输入单元不必具备再驱动功能 因此 输入单元的结构主要是输入保护电路 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 主要目的是ESD ElectrostaticDischarge 保护 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I OPAD 20 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I OPAD 21 P阱 22 有源区 23 多晶硅 24 P 区 25 N 区 26 引线孔 27 金属 28 复合图 29 2 输出单元 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
8、单元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 2 30 倒相输出I OPAD 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I OPAD 31 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I OPAD 倒相器链驱动结构 32 倒相器链驱动结构 为什么倒相器链驱动 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 每级比前级放大f倍 2 33 f的取值 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I
9、OPAD 34 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 OPAD 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I OPAD 35 2 36 2 37 2 38 2 39 2 40 2 41 2 42 开漏输出单元 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I OPAD 43 掩膜编程的输入输出单元 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I OPAD 44 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I OPAD 45 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I OPAD 46 2 5 2标准单元设计技术输入 输出单元 I OPAD 47 5 3积木块设计技术 3 48 5 3积木块设计技术 3 49 为什么标准单元 标准单元的基本描述 体会版图 I O单元 特殊标准单元 需要考虑的问题 I O单元的结构考虑 倒相器链 三态 开漏掩膜编程 积木单元 关键 演变过程与考虑 小结 作业 P137 练习与思考五 2 3
