北大集成电路原理与设计之一：数字集成电路原理与设计课件08 VLSI设计方法

第八章VLSI设计方法GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware电路设计电路设计就是完成满足一定约束条件的、可以正确实现某种功能的电路产品约束条件：速度面积功耗可靠性可测性。。。GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware集成电路的设计过程现代VLSI的设计过程是一个从抽象到具体的过程抽象的目的是提高设计层级，提高设计能力设计的过程就是逐步对高层级的抽象设计向低层级的设计进行映射的过程ConceptionConceptionValidationValidationAbstractionDetailImplementationImplementationFabricationFabricationGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware设计层级面对设计规模的挑战人们需要提高设计层级来有效的完成Divideandconquer层次化和模块化有助于设计分工、管理和重复利用GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware集成电路的设计层级最早的IC设计在最底层完成，即根据版图数据加工掩模版，然后利用掩模版进行半导体加工当时的IC设计人员同机械和建筑设计人员类似，用直尺和坐标纸工作SYSTEMGATECIRCUITVoutVinCIRCUITVoutVinMODULE+DEVICEn+SDn+GGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware集成电路的设计层级当集成电路规模增加以后，手工计算无法对大规模的电路进行有效和准确的设计70年代，IC设计进入电路级设计，即通过对器件建模，完成器件的抽象电路级设计通过利用晶体管搭建电路原理图，利用spice工具进行优化设计，然后对优化后的电路完成版图设计SYSTEMGATECIRCUITVoutVinCIRCUITVoutVinMODULE+DEVICEn+SDn+GGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware集成电路的设计层级当集成电路特别是数字电路的规模继续增加以后：Spice工具对较大规模电路的仿真能力有限手工版图设计对大规模电路设计时间很长人们把数字电路描述成布尔逻辑，把实现某个布尔逻辑的电路称为门电路利用逻辑仿真可以对门级数字电路进行验证利用可重复使用的标准单元库可以快速完成版图设计逻辑级设计避免了spice仿真，简化了手工版图SYSTEMGATECIRCUITVoutVinCIRCUITVoutVinMODULE+DEVICEn+SDn+GGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware集成电路的设计层级随着计算机技术的发展，大规模的数字IC设计依靠设计工具来辅助完成硬件描述语言取代了原理图输入逻辑仿真取代了spice仿真逻辑综合和自动布局布线工具完成设计实现VLSI设计进入RTL（行为和结构）级SYSTEMGATECIRCUITVoutVinCIRCUITVoutVinMODULE+DEVICEn+SDn+GGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware集成电路的设计层级进入21世纪，面向系统级应用的千万门级设计的数据计算量使得设计层级需要进一步提高SoC是基于IP的设计，是系统级的VLSI设计SYSTEMGATECIRCUITVoutVinCIRCUITVoutVinMODULE+DEVICEn+SDn+GuPFPGAMPEGASICATMROMROMS/WReconfigurableS/WPCBSOCuPCoreSRAMROMATMMPEGROMFPGAGlueLogicA/DBlockReconfigurableGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware设计层级与设计方法面对设计规模的挑战人们需要提高设计层级来有效的完成（Divideandconquer）高层级的设计采用更多的抽象，设计数据减小，从而可以支持更大规模的设计设计方法是同设计层级对应的流程SYSTEMGATECIRCUITVoutVinCIRCUITVoutVinMODULE+DEVICEn+SDn+GGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware设计方法：自顶向下Vs自底向上全定制的设计方法：电路原理图Spice仿真定制版图半定制的设计方法HDL输入逻辑仿真逻辑综合和自动布局布线全定制方法适合于小规模的设计，半定制方法适合大规模设计ConceptionConceptionValidationValidationAbstractionDetailImplementationImplementationFabricationFabricationGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware全定制设计方法优点：精度高－－spice仿真缺点：设计工作量大，时间长－－spice仿真，定制版图利用优点，避免其缺点模拟电路：难以进行逻辑抽象，只能依靠spice仿真，电路规模较小数字电路：版图结构规整；小规模模块GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware半定制设计方法自顶向下的设计方法，包括基于标准单元库的ASIC方法和基于IP的SoC方法是目前数字VLSI设计的主流方法，适合于大规模的设计在ASIC的课程中学习了ASIC的设计方法为了满足大规模设计的需要，半定制方法对EDA工具的依赖较多（逻辑仿真，逻辑综合和自动布局布线等）优点是自动化程度高，缺点是精度较定制方法低GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware设计实现－－版图设计P+铝多晶硅有源区阱引线孔P注入框VDDVinGndoutV版图设计的目的是完成集成电路加工所需的各个掩模版上的图形的设计版图设计的主要约束条件是面积，对模拟电路来说还可能会影响性能甚至功能由于半导体是精细加工，器件和电路的功能和性能都依赖于版图图形，加工工艺对版图设计提出限制条件，以避免可能的加工错误，这些限制条件就是设计规则GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware设计规则是设计者和工艺工程师之间的接口设计规则保证满足设计规则的设计加工后的器件可以达到工艺的标准性能本课程中使用的是无锡上华公司的0.5微米CMOS工艺，版图设计需要满足CSMC提供的设计规则GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware(p,n)ActiveArea(n+,p+)ColorRepresentationYellowGreenRedBlueMagentaBlackBlackBlackSelect(p+,n+)Green在版图设计工具中一般把每个数据层规定一个层名，并用某个颜色和填充来区分基本的CMOS工艺的设计图层为了保证正确加工，设计规则中规定了同层和不同层数据之间的最小宽度和间距等要求GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware’np-substrateFieldOxidep+n+InOutGNDVDD(a)Layout(b)Cross-SectionalongA-A’AA’GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware设计规则检查我们使用的版图设计工具是cadence公司的VirtuosoLayoutEditor版图设计过程中可以利用设计规则检查（DRC）工具检查版图是否违反了设计规则根据工具的报错信息，修改版图图形，直到满足设计要求poly_not_fettoall_diffminimumspacing=0.14um.GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftwareDRC检查可以保证版图满足设计规则，但是这个版图是否实现了电路原理图的功能呢LVS主要检查器件的连接关系和器件尺寸是否一致EDA工具从版图中提取电路网表，然后将这个网表同电路原理图进行比较VDDVDDVinVoutM1M2M3M4Vout2GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware版图设计是设计实现阶段，该阶段之后，设计就被确定完成了版图中提取的器件同电路原理图相比，包含完整的器件尺寸和寄生参数的信息器件尺寸：源漏区周长和面积技术参数：连线电阻，电容等当版图DRC正确，LVS正确以后，可以对规则和逻辑正确的版图进行LPE提取，提取出包含寄生参数的spice网表，用于带有寄生参数的后仿真VDDVDDVinVoutM1M2M3M4Vout2GeneratedbyFox