第五章标准单元技术

第五章标准单元技术2标准单元技术standardcelltechniques开发标准单元库的原因标准网格定向型工艺层技术网格式布线系统要求的库设计规则标准输入输出单元3逻辑单元库是ASIC设计流程中用到的构建模块的集合。由于这种库具有通用接口实现和规则结构，所以通常称为“标准单元”库。开发标准单元库的原因：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。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。典型加工工艺的进步，包括布线金属层从1层金属增加到2层金属或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计过程的复杂性。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20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。开发标准单元库的原因4虽然标准单元主要用于专用集成电路（ASIC）设计，然而这一设计方法也广泛应用于实现全定制设计中的“不规整逻辑”。一个典型的标准单元库由几百个单元，而高级的库则有1000个以上的单元。有些单元库会针对低功耗、高速和高空隙率而进行专门设计、开发。空隙率：可全部用于布线的面积与整个单元面积的比率。经典的布线器是以基于网格的。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；导线只能放在预先确定了坐标的网格上。标准网格-网格式布线器grid-basedrouter5“layerrules”和“physicalrules”都在库文件“techfile”中。一般“techfile”中包含以下内容：CONTROLS：“maskGrid0.01”LAYERDEFINITIONLAYERRULESPHYSICALRULESDEVICESLXRULES标准网格-网格式布线器grid-basedrouter6techfile-LAYERRULES标准网格-网格式布线器grid-basedrouter“POLY2”isconnectedto“MET1”with“CNT”;“MET1”isconnectedto“MET2”with“VIA1”;……7techfile-PHYSICALRULES标准网格-网格式布线器grid-basedrouterpleaserememberthesedefinitions:width、space、area、enclosure、overlap、extension8techfile-PHYSICALRULES最小宽度minWidth:封闭几何图形的内边之间的距离。标准网格-网格式布线器grid-basedrouter在利用DRC（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，工具将会给出错误的提示。9techfile-PHYSICALRULES最小间距minSpacing:各几何图形外边界之间的距离。标准网格-网格式布线器grid-basedrouter10techfile-PHYSICALRULES最小交叠minOverlap:交叠有两种形式：a.一几何图形内边界到另一图形的内边界长度（overlap）b.一几何图形外边界到另一图形的内边界长度（extension）标准网格-网格式布线器grid-basedrouter11techfile-PHYSICALRULES标准网格-网格式布线器grid-basedrouterpleasekeeptheserulesinyourmindanddon’tviolatethemwhenyoulayout.12techfile-PHYSICALRULES标准网格-网格式布线器grid-basedrouterThewidthof“NWELL”mustbegreaterthanorequaltothe“minWidth=1.2microns”;andthespaceoftwo“NWELLs”mustbegreaterthanorequaltotheminSpacing=0.6microns”.NWELLNWELL≧minSpacing≧minWidth13coarsegridexample:标准网格-网格式布线器grid-basedrouterMinimumwireis1micron,minimumspacingis1micron,therefore,ourtwowiresuse3microns,andwehaveestablishedcenter-to-centergridspacingof2micronsforthisprocess.2microns1microns1microns1microns最小金属线越宽，或金属线间必须相隔得越远，网格也就越大14标准网格-网格式布线器grid-basedrouterdeterminingourminimumwirewidthsandminimumspacingbetweenwiresdictatehowcoarseorfineourgridwillbe.最小金属线越宽，或金属线间必须相隔得越远，网格也就越大;“designrulesdeterminegridsize.”thegrid-basedroutercanonlyplacewiresalongourgridlines,fromintersectiontointersection.15标准网格-规则式布线器rule-basedrouter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。“rule-basedrouter:usestherealdesignrulesforeachlayer,insteadofusingafixedgrid.”大多数人采用grid-basedrouter，因为它简单；如果采用rule-basedrouter，紧凑，节省版图空间。16标准网格-规则式布线器rule-basedrouter对每一层采用不同的网格尺寸，但这会使我们很难把所有的接触孔和通孔都对齐并落在每一层垂直和水平网格线的交点上。17thedifferencebetween“via”and“contact”:contact：connectthemetalsofdifferentlayersvia:connecttheterminaltometalgenerallyspeaking,thedefaultpreferredroutingdirection:metal1-horizontalmetal2-verticalmetal3-horizontalmetal4-vertical定向型工艺层技术routingsimplybenefitreducecross-talk18“小的转向不必改换金属层”（注：此处的“小”指只有一两个网格的转向）原因：1.如果用metal2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；2.可能会造成很高的电阻；3.via不易刻蚀。定向型工艺层技术unnecessary,othermetal2scantroutehere19对齐输入输出：输入A和输出Z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。保证标准单元的所有输入输出不仅在x网格上，还要在y网格上。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。保证所有的库单元以及库单元内部的器件符合网格规则。网格式布线系统要求的库设计规则AZPNVDDVSS20高度固定，宽度可变：为了保持结构的统一，所有的门都必须服从固定高度设置。如果需要有较大驱动能力的晶体管，只要使单元变宽并分割晶体管使之能放在轨线之内就可以了。最小单元高度由通过模拟得到的晶体管尺寸以及为库所选择的网格决定。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。采用高度固定的库的优点：如将所有的门挨个摆放，电源线、地线就很容易布线。数字库:高度固定，宽度可变。(fixedheight,variablewidth.)大多数库都是这样的。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AIC。网格式布线系统要求的库设计规则21公用N阱：典型的CMOS工艺通常都有一个关于N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N阱的间距小得多。可以设计一个大的单个的N阱来节省空间。N阱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nwellspacingdevicespacing22网格式布线系统要求的库设计规则现在限制设计的规则就是晶体管与晶体管的间距，这要比N阱的间距小得多.23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。网格式布线系统要求的库设计规则powerground24半网格单元尺寸：half-gridcellsizing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。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。buttingedges对接边沿网格式布线系统要求的库设计规则powerrailbuttingedgeson-gridwiregridpoint25半尺寸设计规则：half-designrule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距离单元边沿至少有一半的最小间距。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。网格式布线系统要求的库设计规则powerrailbuttingedgesgridpointminimumdistancehalfminimumdistance26布线通道：routingchannels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对接了起来，形成了vdd和vss带。当有很多行和列的单元时，单元行交替反转才能使vdd和vss连接点接触利于布线。网格式布线系统要求的库设计规则27网格式布线系统要求的库设计规则电源布线通道：问题:由于单元中间布满了元件，我们已没有地方来走额外的导线。如果只有很少的几层金属，这会是一个大问题。28电源布线通道：在Metal2中将各行末端的VDD相互连接就可以了网格式布线系统要求的库设计规则29布线通道：routingchannels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metal3/4/5来满足其他布线需要。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，这些空隙就是所谓的布线通道。网格式布线系统要求的库设计规则30布线通道：routingchannels布线通道可以是所希望的任何高度。这样做的好处：1.留出空间供布线；2.单元无需翻转；3.易于软件编程。网格式布线系统要求的库设计规则31通道布线器：channelrouters通道布线器能在单元之间建立通道。固定通道布线fixed-channelrouting：导线及其间隔均匀分布宽度可变布线variable-widthrouting：通道可以有不同尺寸自适应布线网格式布线系统要求的库设计规则gatesfixedwiringchannelgatesvariablewiringchannel32天线规则：antennarules天线规则是一种设计规则检查，保证在进行metal1工艺步骤之前，任何一个cmos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。也称NAC（NetAreaCheck，网络节点区域控制）二极管。在设计标准单元时，必须保证任何