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1、第十章第十章 标准单元技术标准单元技术 standard cell techniquesn n开发标准单元库的原因开发标准单元库的原因开发标准单元库的原因开发标准单元库的原因n n标准网格标准网格标准网格标准网格 n n定向型工艺层技术定向型工艺层技术定向型工艺层技术定向型工艺层技术 n n网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则n n标准输入输出单元标准输入输出单元标准输入输出单元标准输入输出单元 n n逻辑单元库是逻辑单元库是ASICASIC设计流程中用到的构建模块的集合。由于这种设计流程中用到的构建模块的集合
2、。由于这种库具有通用接口实现和规则结构，所以通常称为库具有通用接口实现和规则结构，所以通常称为“ “标准单元标准单元” ”库。库。开发标准单元库的原因：开发标准单元库的原因：n n对于全定制设计来说，独立模块的规模过于庞大和复杂，因此就对于全定制设计来说，独立模块的规模过于庞大和复杂，因此就存在着加快电路和版图设计过程的需要。存在着加快电路和版图设计过程的需要。n n缺乏具有手工实现复杂全定制模块设计能力的专业人员，而自动缺乏具有手工实现复杂全定制模块设计能力的专业人员，而自动化工具缓解了这个问题。化工具缓解了这个问题。n n典型加工工艺的进步，包括布线金属层从典型加工工艺的进步，包括布线金属
3、层从1 1层金属增加到层金属增加到2 2层金属层金属或或3 3层金属。对最佳结果的实现，这进一步增加了全定制版图设层金属。对最佳结果的实现，这进一步增加了全定制版图设计过程的复杂性。计过程的复杂性。n n甚至在全定制设计流程中，当构建模块以预定义的标准来实现时，甚至在全定制设计流程中，当构建模块以预定义的标准来实现时，规模在规模在2020个单元以上的布局布线会更加容易。而单元接口的标准个单元以上的布局布线会更加容易。而单元接口的标准化在库中就可以实现了。化在库中就可以实现了。开发标准单元库的原因开发标准单元库的原因n n虽然标准单元虽然标准单元主要用于专用集成电路（主要用于专用集成电路（ASI
4、CASIC）设计，然而这一设设计，然而这一设计方法也广泛应用于实现计方法也广泛应用于实现全定制全定制设计中的设计中的“ “不规整逻辑不规整逻辑” ”。n n一个典型的标准单元库由一个典型的标准单元库由几百个单元几百个单元，而高级的库则有，而高级的库则有10001000个以个以上的单元上的单元。有些单元库会针对低功耗、高速和高空隙率而进行专。有些单元库会针对低功耗、高速和高空隙率而进行专门设计、开发。门设计、开发。 空隙率空隙率：可全部用于布线的面积与整个单元面积的比率。：可全部用于布线的面积与整个单元面积的比率。n n经典的布线器是以经典的布线器是以基于网格基于网格的。的。n n网格布线器要遵
5、循的约束条件：网格布线器要遵循的约束条件： 导线只能有几种固定的宽度；导线只能有几种固定的宽度； 导线只能放在预先确定了坐标的网格上。导线只能放在预先确定了坐标的网格上。标准网格标准网格 - - 网格式布线器网格式布线器 grid-based routergrid-based routern n“ “layer rules”layer rules”和和“ “physical rules”physical rules”都在库文件都在库文件“ “techfile”techfile”中。中。n n一般一般“ “techfile”techfile”中包含以下内容：中包含以下内容： CONTROLSCO
6、NTROLS：“ “maskGrid 0.01”maskGrid 0.01” LAYER DEFINITION LAYER DEFINITION LAYER RULES LAYER RULES PHYSICAL RULES PHYSICAL RULES DEVICES DEVICES LX RULES LX RULES 标准网格标准网格 - - 网格式布线器网格式布线器 grid-based routergrid-based routern ntechfile - LAYER RULEStechfile - LAYER RULES 标准网格标准网格 - - 网格式布线器网格式布线器 grid-
7、based routergrid-based router“POLY2” is connected to “MET1” with “CNT”;“POLY2” is connected to “MET1” with “CNT”;“MET1” is connected to “MET2” with “VIA1”;“MET1” is connected to “MET2” with “VIA1”; n ntechfile - PHYSICAL RULEStechfile - PHYSICAL RULES 标准网格标准网格 - - 网格式布线器网格式布线器 grid-based routergrid-
8、based routerplease remember these definitions:please remember these definitions:widthwidth、spacespace、areaarea、enclosureenclosure、overlapoverlap、extensionextensionn ntechfile - PHYSICAL RULEStechfile - PHYSICAL RULESn n最小宽度最小宽度minWidth:minWidth:封闭几何图形的内边之间的距离。封闭几何图形的内边之间的距离。 标准网格标准网格 - - 网格式布线器网格式布线
9、器 grid-based routergrid-based router 在利用在利用DRC（设计规则检查）对版图进行几何规则检查时，对于（设计规则检查）对版图进行几何规则检查时，对于宽度低于规则中指定的最小宽度的几何图形，工具将会给出错误宽度低于规则中指定的最小宽度的几何图形，工具将会给出错误的提示。的提示。n ntechfile - PHYSICAL RULEStechfile - PHYSICAL RULESn n最小间距最小间距minSpacing:minSpacing:各几何图形外边界之间的距离。各几何图形外边界之间的距离。 标准网格标准网格 - - 网格式布线器网格式布线器 gri
10、d-based routergrid-based routern ntechfile - PHYSICAL RULEStechfile - PHYSICAL RULESn n最小交叠最小交叠minOverlap:minOverlap: 交叠有两种形式：交叠有两种形式： a. a. 一几何图形内边界到另一图形的内边界长度（一几何图形内边界到另一图形的内边界长度（overlapoverlap） b. b. 一几何图形外边界到另一图形的内边界长度（一几何图形外边界到另一图形的内边界长度（extensionextension） 标准网格标准网格 - - 网格式布线器网格式布线器 grid-based
11、routergrid-based routern ntechfile - PHYSICAL RULEStechfile - PHYSICAL RULES 标准网格标准网格 - - 网格式布线器网格式布线器 grid-based routergrid-based routerplease keep these rules in your mind and dont please keep these rules in your mind and dont violate them when you layout.violate them when you layout.n ntechfile -
12、 PHYSICAL RULEStechfile - PHYSICAL RULES 标准网格标准网格 - - 网格式布线器网格式布线器 grid-based routergrid-based routerThe width of “N WELL” must be greater than or The width of “N WELL” must be greater than or equal to the “minWidth=1.2 microns”;equal to the “minWidth=1.2 microns”;and the space of two “N WELLs” must
13、 be greater and the space of two “N WELLs” must be greater than or equal to the “minSpacing=0.6 microns”.than or equal to the “minSpacing=0.6 microns”.N WELLN WELLminSpacingminWidthn ncoarse grid example:coarse grid example: 标准网格标准网格 - - 网格式布线器网格式布线器 grid-based routergrid-based routerMinimum wire is
14、 1 micron, minimum spacing is 1 Minimum wire is 1 micron, minimum spacing is 1 micron, therefore, our two wires use 3 microns, and micron, therefore, our two wires use 3 microns, and we have established center-to-center grid spacing ofwe have established center-to-center grid spacing of2 microns for
15、 this process.2 microns for this process.2 microns1 microns1 microns1 microns标准网格标准网格 - - 网格式布线器网格式布线器 grid-based routergrid-based routern ndetermining our minimum wire widths and determining our minimum wire widths and minimum spacing between wires dictate how minimum spacing between wires dictate
16、how coarse or fine our grid will be.coarse or fine our grid will be.n n“design rules determine grid size.”“design rules determine grid size.”n nthe grid-based router can only place wires the grid-based router can only place wires along our grid lines, from intersection to along our grid lines, from
17、intersection to intersection.intersection.标准网格标准网格 - - 规则式布线器规则式布线器 rule-based routerrule-based routern n不同工艺层上的金属线宽及其间距都有不同的最小宽不同工艺层上的金属线宽及其间距都有不同的最小宽度，如果我们要使所有的网格都采用同样的尺寸，那度，如果我们要使所有的网格都采用同样的尺寸，那么我们只能统一地采用芯片上尺寸要求最大的那个工么我们只能统一地采用芯片上尺寸要求最大的那个工艺层上的尺寸。艺层上的尺寸。n n“ “rule-based router: uses the real desi
18、gn rule-based router: uses the real design rules for each layer, instead of using a rules for each layer, instead of using a fixed grid.”fixed grid.”n n大多数人采用大多数人采用grid-based routergrid-based router，因为它简单；，因为它简单； 如果采用如果采用rule-based routerrule-based router，紧凑，节省版图空间。，紧凑，节省版图空间。n nthe difference betwe
19、en “via” and “contact”:the difference between “via” and “contact”: contact contact： connect the metals of different layersconnect the metals of different layers via: connect the terminal to metal via: connect the terminal to metal n ngenerally speaking, the default preferred routing generally speaki
20、ng, the default preferred routing direction:direction: metal 1 - horizontal metal 1 - horizontal metal 2 - vertical metal 2 - vertical metal 3 - horizontal metal 3 - horizontal metal 4 - vertical metal 4 - vertical 定向型工艺层技术定向型工艺层技术 routing simply routing simplybenefit benefit reduce cross-talk reduc
21、e cross-talkn n“ “小的转向不必改换金属层小的转向不必改换金属层小的转向不必改换金属层小的转向不必改换金属层” ” （注：此处的（注：此处的（注：此处的（注：此处的“ “小小小小” ”指只有一两个网格的转向）指只有一两个网格的转向）指只有一两个网格的转向）指只有一两个网格的转向）n n原因：原因： 1. 1. 如果用如果用metal 2metal 2来安排这些小而短的转向，就再也不能在来安排这些小而短的转向，就再也不能在 他们之间提供另外的布线机会了；他们之间提供另外的布线机会了； 2. 2. 可能会造成很高的电阻；可能会造成很高的电阻； 3. via3. via不易刻蚀。不易
22、刻蚀。定向型工艺层技术定向型工艺层技术unnecessary,other metal2s cant route here对齐输入输出：n n输入输入A A和输出和输出Z Z不能随意放置。它们必须像所有的连线一样位于同不能随意放置。它们必须像所有的连线一样位于同样的网格上。样的网格上。n n保证标准单元的所有保证标准单元的所有输入输出输入输出不仅在不仅在x x网格网格上，还要在上，还要在y y网格网格上。上。要保证自动布线软件在水平方向和垂直方向都能找到它们。要保证自动布线软件在水平方向和垂直方向都能找到它们。n n保证所有的库单元以及库单元内部的器件符合网格规则。保证所有的库单元以及库单元内部
23、的器件符合网格规则。网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则AZPNVDDVSS高度固定，宽度可变：n n为了保持结构的统一，所有的门都必须服从固定高度设置。为了保持结构的统一，所有的门都必须服从固定高度设置。n n如果需要有如果需要有较大驱动能力较大驱动能力的晶体管，只要使单元的晶体管，只要使单元变宽变宽并并分割分割晶体晶体管使之能放在轨线之内就可以了。管使之能放在轨线之内就可以了。n n最小单元高度最小单元高度由由通过模拟得到的晶体管尺寸通过模拟得到的晶体管尺寸以及以及为库所选择的网为库所选择的网格格决定。一般
24、选择的高度要略大于这个最小高度，来作为电源线决定。一般选择的高度要略大于这个最小高度，来作为电源线和地线的布线沟道。和地线的布线沟道。n n采用高度固定的库的采用高度固定的库的优点优点：如将所有的门挨个摆放，电源线、地：如将所有的门挨个摆放，电源线、地线就很线就很容易布线容易布线。n n数字库数字库数字库数字库: :高度固定，宽度可变。高度固定，宽度可变。高度固定，宽度可变。高度固定，宽度可变。(fixed height, variable (fixed height, variable width.)width.) 大多数库都是这样的。大多数库都是这样的。 对于数字版图，特别是标准单元版图，
25、是唯一可行的方式。对于数字版图，特别是标准单元版图，是唯一可行的方式。 在模拟版图设计中也非常有用，甚至是全定制的在模拟版图设计中也非常有用，甚至是全定制的AICAIC。网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则公用N阱：n n典型的典型的CMOSCMOS工艺通常都有一个关于工艺通常都有一个关于N N阱间距的规则，这个间距阱间距的规则，这个间距要求很大，而晶体管的间距要求，要比要求很大，而晶体管的间距要求，要比N N阱的间距小得多。阱的间距小得多。n n可以设计一个大的单个的可以设计一个大的单个的N N阱来节省空间。
26、阱来节省空间。 N N阱间距限制阱间距限制 晶体管间距限制晶体管间距限制网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则n well spacingdevice spacing如果轨线延伸到单元边缘，那么把这些单如果轨线延伸到单元边缘，那么把这些单元对接，就形成了一条很长的电源轨线带。元对接，就形成了一条很长的电源轨线带。网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则powerground半网格单元尺寸：half-grid cell sizingn
27、n所有单元内部的导线都处于网格上，而相互对接单元的边缘落在所有单元内部的导线都处于网格上，而相互对接单元的边缘落在两条网格线的中间，即处于半个网格的位置上。两条网格线的中间，即处于半个网格的位置上。n n由于单元可以在各个方向对接，所以一个单元的每一边（上、下、由于单元可以在各个方向对接，所以一个单元的每一边（上、下、左、右）都应当落在半个网格的位置上。左、右）都应当落在半个网格的位置上。网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则power railbutting edgeson-grid wiregrid poin
28、t半尺寸设计规则：half-design rulen n为了使两个对接单元间的晶体管也有最小间距，每一个晶体管就为了使两个对接单元间的晶体管也有最小间距，每一个晶体管就应当应当距离单元边沿至少有一半的最小间距。n n网格决定了库单元的设计。每一样东西都必须放在网格上，所有网格决定了库单元的设计。每一样东西都必须放在网格上，所有的单元都必须服从半网格的规则。的单元都必须服从半网格的规则。网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则power railbutting edgesgrid pointminimum dista
29、ncehalf minimum distance布线通道：routing channelsn n在标准单元中，电源线和地线可能和单元统一尺寸，即到边沿为在标准单元中，电源线和地线可能和单元统一尺寸，即到边沿为止。当把许多这样的单元放到一起成排时，单元线和地线就相互止。当把许多这样的单元放到一起成排时，单元线和地线就相互对接了起来，形成了对接了起来，形成了vddvdd和和vssvss带。带。n n当有很多行和列的单元时，单元行交替反转才能使当有很多行和列的单元时，单元行交替反转才能使vddvdd和和vssvss连接连接点接触利于布线。点接触利于布线。网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要
30、求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则VDDVSSVDDVSSVSSVDDVDD布线通道：routing channelsn n如果有许多的金属层，电源轨线和单元的尺寸一样是极好的办法，如果有许多的金属层，电源轨线和单元的尺寸一样是极好的办法，设计可以非常紧凑，可以用设计可以非常紧凑，可以用metal3/4/5metal3/4/5来满足其他布线需要。来满足其他布线需要。n n对于只有极少数金属层的标准单元库所采用的一个策略就是，在对于只有极少数金属层的标准单元库所采用的一个策略就是，在单元结构的上下即轨线的外面留出一些空隙，这些空隙就是所谓单元结构的上下即轨
31、线的外面留出一些空隙，这些空隙就是所谓的的布线通道。n n布线通道可以是所希望的任何高度。布线通道可以是所希望的任何高度。n n这样做的好处：这样做的好处： 1. 1. 留出空间供布线；留出空间供布线； 2. 2. 单元无需翻转；单元无需翻转； 3. 3. 易于软件编程。易于软件编程。网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则通道布线器：channel routersn n通道布线器能在单元之间建立通道。通道布线器能在单元之间建立通道。n n固定通道布线固定通道布线fixed-channel routingfixed
32、-channel routing：导线及其间隔均匀分布：导线及其间隔均匀分布 宽度可变布线宽度可变布线variable-width routingvariable-width routing：通道可以有不同尺寸：通道可以有不同尺寸网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则gatesfixed wiring channelgatesvariable wiring channel天线规则：antenna rulesn n天线规则是一种设计规则检查，保证在进行天线规则是一种设计规则检查，保证在进行metal 1metal
33、1工艺步骤之工艺步骤之前，任何一个前，任何一个cmoscmos逻辑门都连接到了一个扩散区上。为了确保逻辑门都连接到了一个扩散区上。为了确保这一连接，必须加入一个小的反向偏置保护二极管。这一连接，必须加入一个小的反向偏置保护二极管。 也称也称NACNAC（Net Area CheckNet Area Check，网络节点区域控制）二极管。，网络节点区域控制）二极管。n n在设计标准单元时，必须保证任何输入都被下拉，即受到保护。在设计标准单元时，必须保证任何输入都被下拉，即受到保护。n n一个器件的输出能够为它所驱动的门提供保护。一个器件的输出能够为它所驱动的门提供保护。网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则网格式布线系统要求的库设计规则VDDVSSmetal 1ABPPNNn n在一个在一个I/OI/O单元中通常有多条供电轨线。单元中通常有多条供电轨线。n nI/OI/O单元成环形布置在芯片的外围。单元成环形布置在芯片的外围。标准输入输出单元标准输入输出单元标准输入输出单元标准输入输出单元VDDVSSVDDVSSESD supplydriver supplypadI/O pad at the topI/O pads surrounding the chip with their power rail
