1、標準單元技術第1頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design2邏輯單元庫是ASIC設計流程中用到的構建模塊的集合。由于這種庫具有通用接口實現和規則結構，所以通常稱為“標準單元”庫。開發標準單元庫的原因：對于全定制設計來說，獨立模塊的規模過于龐大和復雜，因此就存在著加快電路和版圖設計過程的需要。缺乏具有手工實現復雜全定制模塊設計能力的專業人員，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。對最佳結果的實現，這進一步增加了全定制版圖設計過程的復雜性。甚至在全

2、定制設計流程中，當構建模塊以預定義的標準來實現時，規模在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了。開發標準單元庫的原因第2頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design3雖然標準單元主要用于專用集成電路（ASIC）設計，然而這一設計方法也廣泛應用于實現全定制設計中的“不規整邏輯”。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計、開發。 空隙率：可全部用于布線的面積與整個單元面積的比率。經典的布線器是以

3、基于網格的。網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格上。標準網格 - 網格式布線器 grid-based router第3頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design4“layer rules”和“physical rules”都在庫文件“techfile”中。一般“techfile”中包含以下內容： CONTROLS：“maskGrid 0.01” LAYER DEFINITION LAYER RULES PHYSICAL RULES DEVICES L

4、X RULES 標準網格 - 網格式布線器 grid-based router第4頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design5techfile - LAYER RULES 標準網格 - 網格式布線器 grid-based router“POLY2” is connected to “MET1” with “CNT”;“MET1” is connected to “MET2” with “VIA1”; 第5頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of

5、 ic layout design6techfile - PHYSICAL RULES 標準網格 - 網格式布線器 grid-based routerplease remember these definitions:width、space、area、enclosure、overlap、extension第6頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design7techfile - PHYSICAL RULES最小寬度minWidth:封閉幾何圖形的內邊之間的距離。 標準網格 - 網格式布線器 grid-base

6、d router 在利用DRC（設計規則檢查）對版圖進行幾何規則檢查時，對于寬度低于規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，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design8techfile - PHYSICAL RULES最小間距minSpacing:各幾何圖形外邊界之間的距離。 標準網格 - 網格式布線器 grid-based router第8頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design9tech

7、file - PHYSICAL RULES最小交疊minOverlap: 交疊有兩種形式： a. 一幾何圖形內邊界到另一圖形的內邊界長度（overlap） b. 一幾何圖形外邊界到另一圖形的內邊界長度（extension） 標準網格 - 網格式布線器 grid-based router第9頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design10techfile - PHYSICAL RULES 標準網格 - 網格式布線器 grid-based routerplease keep these rules in yo

8、ur mind and dont violate them when you layout.第10頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design11techfile - PHYSICAL RULES 標準網格 - 網格式布線器 grid-based routerThe width of “N WELL” must be greater than or equal to the “minWidth=1.2 microns”;and the space of two “N WELLs” must be grea

9、ter than or equal to the “minSpacing=0.6 microns”.N WELLN WELLminSpacingminWidth第11頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design12coarse grid example: 標準網格 - 網格式布線器 grid-based routerMinimum wire is 1 micron, minimum spacing is 1 micron, therefore, our two wires use 3 microns, a

10、nd we have established center-to-center grid spacing of2 microns for this process.2 microns1 microns1 microns1 microns第12頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design13標準網格 - 網格式布線器 grid-based routerdetermining our minimum wire widths and minimum spacing between wires dictate h

11、ow coarse or fine our grid will be.“design rules determine grid size.”the grid-based router can only place wires along our grid lines, from intersection to intersection.第13頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design14標準網格 - 規則式布線器 rule-based router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

12、們要使所有的網格都采用同樣的尺寸，那么我們只能統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-based router: uses the real design rules for each layer, instead of using a fixed grid.”大多數人采用grid-based router，因為它簡單； 如果采用rule-based router，緊湊，節省版圖空間。第14頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design15the difference between

13、“via” and “contact”: contact： connect the metals of different layers via: connect the terminal to metal generally speaking, the default preferred routing direction: metal 1 - horizontal metal 2 - vertical metal 3 - horizontal metal 4 - vertical 定向型工藝層技術 routing simplybenefit reduce cross-talk第15頁，共2

14、7頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design16“小的轉向不必改換金屬層” （注：此處的“小”指只有一兩個網格的轉向）原因： 1. 如果用metal 2來安排這些小而短的轉向，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unnecessary,other metal2s cant route here第16頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design17對

15、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格上。保證標準單元的所有輸入輸出不僅在x網格上，還要在y網格上。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部的器件符合網格規則。網格式布線系統要求的庫設計規則AZPNVDDVSS第17頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design18高度固定，寬度可變：為了保持結構的統一，所有的門都必須服從固定高度設置。如果需要有較大驅動能力的晶體管，只要使單元變寬并分割晶體管使之能放在軌線之內就可以了。最小單

16、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點：如將所有的門挨個擺放，電源線、地線就很容易布線。數字庫:高度固定，寬度可變。(fixed height, variable width.) 大多數庫都是這樣的。 對于數字版圖，特別是標準單元版圖，是唯一可行的方式。 在模擬版圖設計中也非常有用，甚至是全定制的AIC。網格式布線系統要求的庫設計規則第18頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design19公用N阱：典

17、型的CMOS工藝通常都有一個關于N阱間距的規則，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。可以設計一個大的單個的N阱來節省空間。 N阱間距限制 晶體管間距限制網格式布線系統要求的庫設計規則n well spacingdevice spacing第19頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design20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。網格式布線系統要求的庫設計規則powerground第20頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四scho

18、ol of phyebasics of ic layout design21半網格單元尺寸：half-grid cell sizing所有單元內部的導線都處于網格上，而相互對接單元的邊緣落在兩條網格線的中間，即處于半個網格的位置上。由于單元可以在各個方向對接，所以一個單元的每一邊（上、下、左、右）都應當落在半個網格的位置上。網格式布線系統要求的庫設計規則power railbutting edgeson-grid wiregrid point第21頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design22半尺寸設計

19、規則：half-design rule為了使兩個對接單元間的晶體管也有最小間距，每一個晶體管就應當距離單元邊沿至少有一半的最小間距。網格決定了庫單元的設計。每一樣東西都必須放在網格上，所有的單元都必須服從半網格的規則。網格式布線系統要求的庫設計規則power railbutting edgesgrid pointminimum distancehalf minimum distance第22頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design23布線通道：routing channels在標準單元中，電源線和地線

20、可能和單元統一尺寸，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，單元行交替反轉才能使vdd和vss連接點接觸利于布線。網格式布線系統要求的庫設計規則VDDVSSVDDVSSVSSVDDVDD第23頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design24布線通道：routing channels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。對于只有極少數金屬層的標準單元庫所采用的一個策略就是，在單元結構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； 3. 易于軟件編程。網格式布線系統要求的庫設計規則第24頁，共27頁，2022年，5月20日，5點7分，星期四school of phyebasics of ic layout design25通道布線器：channel routers通道布線器能在單元之間建立通