集成电路版图设计基础第4章：标准单元技术

1、school of phyebasics of ic layout design1第四章第四章 标准单元技术标准单元技术 standard cell techniques 开发标准单元库的原因开发标准单元库的原因 标准网格标准网格 定向型工艺层技术定向型工艺层技术 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 标准输入输出单元标准输入输出单元 school of phyebasics of ic layout design2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

2、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school of phyebasics of ic layout design3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

3、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-based routerschool of phyebasics of ic layout design4“layer rules”和“physical rules”都在库文件“techfile”中。一般“techfile

4、”中包含以下内容： CONTROLS：“maskGrid 0.01” LAYER DEFINITION LAYER RULES PHYSICAL RULES DEVICES LX RULES 标准网格 - 网格式布线器 grid-based routerschool of phyebasics of ic layout design5techfile - LAYER RULES 标准网格 - 网格式布线器 grid-based router“POLY2” is connected to “MET1” with “CNT”;“MET1” is connected to “MET2” with “

5、VIA1”; school of phyebasics of ic layout design6techfile - PHYSICAL RULES 标准网格 - 网格式布线器 grid-based routerplease remember these definitions:width、space、area、enclosure、overlap、extensionschool of phyebasics of ic layout design7techfile - PHYSICAL RULES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-bas

6、ed 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。school of phyebasics of ic layout design8techfile - PHYSICAL RULES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-based routerschool of phyebasics of ic layout design9tec

7、hfile - PHYSICAL RULES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-based routerschool of phyebasics of ic layout design10techfile - PHYSICAL RULES 标准网格 - 网格式布线器 grid-based routerplease keep these rules in your mind and dont violate the

8、m when you layout.school of phyebasics of ic layout design11techfile - PHYSICAL RULES 标准网格 - 网格式布线器 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 greater than or equal to the “minSpacing=0.6 microns”.N WELLN

9、WELLminSpacingminWidthschool of phyebasics of ic layout design12coarse grid example: 标准网格 - 网格式布线器 grid-based routerMinimum wire is 1 micron, minimum spacing is 1 micron, therefore, our two wires use 3 microns, and we have established center-to-center grid spacing of2 microns for this process.2 micr

10、ons1 microns1 microns1 micronsschool of phyebasics of ic layout design13标准网格 - 网格式布线器 grid-based router determining our minimum wire widths and minimum spacing between wires dictate how coarse or fine our grid will be. “design rules determine grid size.” the grid-based router can only place wires al

11、ong our grid lines, from intersection to intersection.school of phyebasics of ic layout design14标准网格 - 规则式布线器 rule-based router 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-based router: uses the real design rules for each layer, instead of using a fixed grid.” 大

12、多数人采用grid-based router，因为它简单； 如果采用rule-based router，紧凑，节省版图空间。school of phyebasics of ic layout design15the difference between “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

13、- horizontal metal 2 - vertical metal 3 - horizontal metal 4 - vertical 定向型工艺层技术school of phyebasics of ic layout design16 “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“小小”指只有一两个网格的转向）指只有一两个网格的转向）原因： 1. 如果用metal 2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,other metal2s

14、cant route hereschool of phyebasics of ic layout design17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网格式布线系统要求的库设计规则AZPNVDDVSSschool of phyebasics of ic layout design18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

15、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。数字库数字库:高度固定，宽度可变。高度固定，宽度可变。(fixed height, variable width.) 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网格式布线系统要求的库设计规则school

16、of phyebasics of ic layout design19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网格式布线系统要求的库设计规则n well spacingdevice spacingschool of phyebasics of ic layout design20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

17、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powergroundschool of phyebasics of ic layout design21半网格单元尺寸：half-grid cell sizing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。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 pointschool of phye

18、basics of ic layout design22半尺寸设计规则：half-design rule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网格式布线系统要求的库设计规则power railbutting edgesgrid pointminimum distancehalf minimum distanceschool of phyebasics of ic layout design23布线通道：routing cha

19、nnels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网格式布线系统要求的库设计规则VDDVSSVDDVSSVSSVDDVDDschool of phyebasics of ic layout design24布线通道：routing channels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。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网格式布线系统要求的库设计规则school of phyebasics of ic layout design25通道布线器：channel router