集成电路版图设计基础第4章：标准单元技术new

集成电路版图设计基础

basicsofIClayoutdesigninstructor:Wangxiaoleie-mail:wangxiaolei@schoolofphyebasicsoficlayoutdesign2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。标准单元库的数据格式包括以下几种：电路级（SPICE或CDL网表），用于器件仿真和LVS检查；版图级GDSII文件，用于记录版图的完整信息；硬件描述语言（HDL）所阐述的网表文件；物理库LEF文件，主要用于布局布线；时序库liberty文件，用于电路综合，时序分析；功耗库，用于功耗分析；噪声库，用于信号完整性（signalintegrity）等。标准单元库的数据格式schoolofphyebasicsoficlayoutdesign3第四章标准单元技术standardcelltechniques一个完整的单元库是由不同的功能电路所组成，根据它们在芯片中的应用可以分为三类：标准单元（standardcell）模块宏单元（macrocell）

输入输出单元（I/Opadcell）

schoolofphyebasicsoficlayoutdesign4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。从电路功能上分，常用的标准单元电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合电路包括：反向器、与非门、或非门、缓冲器、与门、或门、数据选择器、异或门、上拉、下拉网络等；时序电路包括：锁存器和寄存器；标准单元schoolofphyebasicsoficlayoutdesign5存储单元ROM和RAM，存储单元可以通过独立设计制造并自成芯片产品，通常根据芯片设计的逻辑功能需求，利用内存编译器（memorycompiler）设计不同的位数和不同的存储量。专用模块，通常指客户自行设计的专用标准产品模块；IP模块；模拟电路模块；

模块单元schoolofphyebasicsoficlayoutdesign6输入输出单元（I/OPadcell）包括输入信号、输出信号、三态、双向、电源和接地单元。

对于输入信号单元，最重要的要考虑静电放电（ESD,electrostaticdischarge）的防护。

静电放电的基本模型有四种，即人体模型（HBM）、机器模型（MM）、带电器件模型（CDM）和电场感应模型（FIM）。

输入输出单元schoolofphyebasicsoficlayoutdesign7（1）标准单元

每个标准单元对应多个不同尺寸（W/L）、不同驱动能力的单元电路，都是基本尺寸或最小尺寸的整倍数。单元库的多样性可以有效提高综合工具和自动布局布线工具的效率，使得设计者可以更加自由地在性能、面积、功耗和成本之间进行优化。所有的单元都是等高的；所有的单元版图采用预先定义的模板进行设计；所有单元的输入输出端口的位置、大小、形状都尽量满足间距的要求，以提高布线器的效率；电源线和地线位于单元的上下边界，以便于链接诶共享，减少芯片面积；标准单元版图GDSII生成物理库（LEF）和时序库（.lib）。

物理单元建库与数据文件schoolofphyebasicsoficlayoutdesign8

物理单元建库与数据文件（2）模块单元

模块单元包括各种规模的数字模块：RAM、ROM、IP、ADC/DAC、锁相环、振荡器等。模块的建立port端口和外部信号相连，模块单元的版图和建库和芯片物理实施在原则上是一样的，模块单元的物理库和时序库可以被顶层芯片调用。（3）I/O单元

芯片与PCB板通信的接口电路统称为I/O电路，它作为与外界通信的接口必须具有较大的驱动能力，抵御静电放电的能力，抗噪声干扰的能力以及足够的带宽和过电保护能力。I/O的组成大致分为三部分，即PAD接口，信号缓冲电路和静电放电保护电路ESD。schoolofphyebasicsoficlayoutdesign9

物理单元建库与数据文件（4）标准单元中的特殊单元填充单元（fillercell），与逻辑无关的填充物；电压钳位单元，数字电路中某些信号端口，或闲置信号端口需要钳位在固定的逻辑电平；二极管单元，避免天线效应导致器件栅氧击穿，在违反天线规则的栅端加入反偏二极管。去耦单元，避免动态电压降对电路性能的影响，通常在电源和地线之间放置由MOS管构成的电容。时钟缓冲单元，在时钟树的设计中，为保障时钟沿到达各个触发器的时间偏差尽可能的小，需要插入时钟缓冲器减小负载和平衡延时。阱连接单元；schoolofphyebasicsoficlayoutdesign10（5）物理库交换格式（LEF）文件

目前普遍使用的物理库是由Cadence公司开发的LEF（libraryexchangeformat）文件格式，已成为业界标准。一般LEF文件分为工艺LEF文件和单元LEF文件两部分。

工艺LEF文件定义的是布局布线的设计规则和晶圆厂的工艺信息，包括互连线的最小间距、最小宽度、厚度、典型电阻、电容、电流密度大小，布线宽度，通孔等信息；

单元LEF文件主要用于定义标准单元、模块单元、I/O单元和各种特殊单元的物理信息，定义单元的面积大小、几何形状，布线层，端口信息，以及一些物理参数；

物理单元建库与数据文件schoolofphyebasicsoficlayoutdesign11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AZPNVDDVSSschoolofphyebasicsoficlayoutdesign12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schoolofphyebasicsoficlayoutdesign13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nwellspacingdevicespacingschoolofphyebasicsoficlayoutdesign14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powergroundschoolofphyebasicsoficlayoutdesign15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。网格式布线系统要求的库设计规则powerrailbuttingedgeson-gridwiregridpointschoolofphyebasicsoficlayoutdesign16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powerrailbuttingedgesgridpointminimumdistancehalfminimumdistanceschoolofphyebasicsoficlayoutdesign17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VDDVSSVDDVSSVSSVDDVDDschoolofphyebasicsoficlayoutdesign18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。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schoolofphyebasicsoficlayoutdesign19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网格式布线系统要求的库设计规则gatesfixedwiringchannelgatesvariablewiringchannelschoolofphyebasicsoficlayoutdesign20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，必须保证任何输入都被下拉，即受到保护。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VDDVSSmetal1ABPPNNschoolofphy