Chapter4标准单元技术课件

Chapter4 标准单元技术标准单元技术Standard Cell Techniques5/4/20241Standard Cell Techniques 4.1 引言引言 Introduction4.2标准单元库标准单元库 Standard Cell Library4.3标准单元标准单元 Standard Cell4.4基于标准单元技术的设计规则基于标准单元技术的设计规则 Design Rules for Cell-Based approach4.5标准输入和输出单元标准输入和输出单元 Standard Input and Output Cells5/4/20242Standard Cell Techniques4.1 引言引言半定制半定制ASIC设计流程设计流程基于标准单元的基于标准单元的ASIC设计技术设计技术什么是标准单元库什么是标准单元库什么是标准单元什么是标准单元35/4/20243Standard Cell TechniquesSeparate teams todesign and verifyPhysical design is(semi-)automatedLoops to get deviceoperating frequencycorrect can be troubling半定制半定制ASIC设计流程设计流程45/4/20244Standard Cell Techniques逻辑综合逻辑综合 Logic SynthesisChanges cloud of combinationalfunctionality into standard cells(gates)from fab-specific library;Chooses standard cell flip-flop/latches for timing statementsAttempts to minimize delay and area of resulting logic55/4/20245Standard Cell Techniques半定制半定制ASIC设计流程的主要特征流程的主要特征“综合综合Synthesis”and“自动布局布线自动布局布线Place-and-Route”这两个产业中非常常用的术语体现了这两个产业中非常常用的术语体现了半定制半定制ASIC设计流程的实质设计流程的实质，使得当前的，使得当前的IC设计在方法上发生了设计在方法上发生了根本性变化。根本性变化。单元库是半单元库是半定制设计流程的先决条件定制设计流程的先决条件。单元库单元库 Library of Cells 单元库中包含了综合和单元库中包含了综合和P&R 工具要用的逻辑门和工具要用的逻辑门和时序构件；在任何一个时序构件；在任何一个ASIC设计流程的全部过程中，设计流程的全部过程中，整个设计只需要用单元库实现。整个设计只需要用单元库实现。5/4/20246Standard Cell Techniques标准准单元元设计技技术 标准单元设计法标准单元设计法是一种基于预先安装的库单元是一种基于预先安装的库单元的芯片设计方法的芯片设计方法。库中的单元都。库中的单元都已经预先完成了基已经预先完成了基于于一个特定工艺的设计、版图和验证。这些单元已一个特定工艺的设计、版图和验证。这些单元已完全特征化，建立了相应的逻辑、时序、物理和电完全特征化，建立了相应的逻辑、时序、物理和电路模型并保存在库中。路模型并保存在库中。基于标准单元设计基于标准单元设计IC的版图时，设计者只需把的版图时，设计者只需把综合得到的网表送到自动布局布线工具综合得到的网表送到自动布局布线工具(P&R)中，该中，该工具会自动完成网表到标准单元的映射以及单元间工具会自动完成网表到标准单元的映射以及单元间的布局和布线，从而得到最终版图。的布局和布线，从而得到最终版图。5/4/20247Standard Cell Techniques在在逻辑级或功能级上实现标准化逻辑级或功能级上实现标准化；标准准单元元设计技技术的特点的特点每一个门每一个门有多种特定的设计有多种特定的设计并存储在数据库并存储在数据库或单元库中；或单元库中；版图用版图用CAD自动布局布线工具生成自动布局布线工具生成。每一个单元有每一个单元有Behavioral level、Structural level和和Physical level的多种描述。的多种描述。5/4/20248Standard Cell Techniques标准准单元元设计技技术的的优点点 采用标准单元设计法设计的版图在性能和面积采用标准单元设计法设计的版图在性能和面积上不如全定制设计的版图，但它上不如全定制设计的版图，但它通过单元复用减少通过单元复用减少了设计工作量，缩短了设计周期了设计工作量，缩短了设计周期。更重要的是，也。更重要的是，也是基于标准单元的版图设计的是基于标准单元的版图设计的最大优点在于有强大最大优点在于有强大的自动布局布线工具支持的自动布局布线工具支持，设计自动化程度很高设计自动化程度很高。因此，标准单元设计方法是当前商用电路，尤因此，标准单元设计方法是当前商用电路，尤其是大的数字电路的主要设计方法，而且很多其是大的数字电路的主要设计方法，而且很多SoC电路的设计也采用此方法。电路的设计也采用此方法。5/4/20249Standard Cell Techniques用高层描述语言（如用高层描述语言（如HDL）建立对电路系统）建立对电路系统的描述；的描述；基于标准单元设计的基本步骤基于标准单元设计的基本步骤用综合工具将该描述综合成逻辑网表；用综合工具将该描述综合成逻辑网表；综合工具需要用到单元的逻辑描述。综合工具需要用到单元的逻辑描述。用自动布局布线用自动布局布线(P&R)工具将该逻辑网表综合工具将该逻辑网表综合成物理版图；成物理版图；P&R工具需要用到版图库，还可能要用到简单工具需要用到版图库，还可能要用到简单描述形式的版图。描述形式的版图。5/4/202410Standard Cell Techniques3.2 标准单元库标准单元库什么是标准单元库什么是标准单元库标准单元库的特点标准单元库的特点标准单元库的主要内容标准单元库的主要内容标准单元库的质量评价标准单元库的质量评价115/4/202411Standard Cell Techniques什么是什么是标准准单元元库标准单元库标准单元库(Standard Cell Libraries)是是ASIC设设计流程中用到的预先定义好的、特征化的构建模块计流程中用到的预先定义好的、特征化的构建模块的集合的集合。由于这种库通常具有通用接口实现和规则。由于这种库通常具有通用接口实现和规则结构，所以通常称为结构，所以通常称为“标准单元库标准单元库”。单元库提供了用于综合的功能构建模块和为布单元库提供了用于综合的功能构建模块和为布局布线提供的单元的版图描述。局布线提供的单元的版图描述。硬件描述语言综合的硬件描述语言综合的过程也将所选择逻辑单元限制在库所提供的单元中，过程也将所选择逻辑单元限制在库所提供的单元中，从而确保了在使用自动布局布线进行设计时单元的物从而确保了在使用自动布局布线进行设计时单元的物理或版图描述一定存在。理或版图描述一定存在。标准单元库是标准单元库是ASIC设计方设计方法得以实现的基础之一法得以实现的基础之一。125/4/202412Standard Cell Techniques为什么要开发标准单元库为什么要开发标准单元库设计的规模和复杂性日益增加；设计的规模和复杂性日益增加；存在加快电路和版图设计过程的需要，因此存在加快电路和版图设计过程的需要，因此全定制设计不再可行；全定制设计不再可行；典型加工工艺的进步，包括布线金属层的增典型加工工艺的进步，包括布线金属层的增加，进一步增加了全定制版图设计过程的复加，进一步增加了全定制版图设计过程的复杂性；杂性；自动化工具，尤其是综合和布局布线自动化工具，尤其是综合和布局布线(P&R)工工具的出现和应用需要标准单元库具的出现和应用需要标准单元库(包括版图模包括版图模型、逻辑模型、时序和功耗模型型、逻辑模型、时序和功耗模型)的支持的支持。5/4/202413Standard Cell Techniques标准单元库的特点标准单元库的特点(1/5)一个一个ASIC标准单元库通常是标准单元库通常是只针对一个特只针对一个特定的工艺定的工艺。某些情况下，也可能对同一个工艺同时有几个某些情况下，也可能对同一个工艺同时有几个单元库，每个库针对不同的目标（如高速度、低功单元库，每个库针对不同的目标（如高速度、低功耗或高密度等）有特定的应用。耗或高密度等）有特定的应用。另外，还可能对同一个工艺针对不同的工作环另外，还可能对同一个工艺针对不同的工作环境条件有不同的单元库，每个库针对不同的环境条境条件有不同的单元库，每个库针对不同的环境条件件(如温度如温度)有特定的应用。有特定的应用。5/4/202414Standard Cell Techniques标准单元库的特点标准单元库的特点(2/5)要求具有要求具有“功能功能”的完整性的完整性。一个典型的现代一个典型的现代ASIC标准单元库里可能有超标准单元库里可能有超过几百个不同的标准单元，在单元库里对这些单过几百个不同的标准单元，在单元库里对这些单元按其功能进行分类。通常元按其功能进行分类。通常必须包括必须包括反相器、与反相器、与和或（或者与非和或非）和或（或者与非和或非）、三态缓冲器、锁存器、三态缓冲器、锁存器和触发器（包括异步带置位与复位）在内的和触发器（包括异步带置位与复位）在内的基本基本功能块功能块。5/4/202415Standard Cell Techniques标准单元库的特点标准单元库的特点(3/5)在每个功能组为逻辑单元定义了不同尺寸的实在每个功能组为逻辑单元定义了不同尺寸的实现现以实现以实现对不同的扇出提供相应的驱动。如反相器对不同的扇出提供相应的驱动。如反相器包括包括1X驱动的驱动的INV1，2X的的INV2，4X的的INV4等。等。同一种功能中不同驱动能力的单元为综合工具同一种功能中不同驱动能力的单元为综合工具提供了灵活性，从而可以得到最佳的综合结果。另提供了灵活性，从而可以得到最佳的综合结果。另外，外，标准化的尺寸确保设计过程中不会出现奇怪的标准化的尺寸确保设计过程中不会出现奇怪的尺寸和单元的最大共享。尺寸和单元的最大共享。5/4/202416Standard Cell Techniques标准单元库的特点标准单元库的特点(4/5)模型参数要包括延迟、功耗、输入电容和输出模型参数要包括延迟、功耗、输入电容和输出电容等基本内容电容等基本内容。为了提高版图质量并继续利用标准单元设计自为了提高版图质量并继续利用标准单元设计自动化高的优点，必须增大单元的规模并对单元版图动化高的优点，必须增大单元的规模并对单元版图进行精细优化，为此进行精细优化，为此在标准单元的基础上又发展了在标准单元的基础上又发展了宏单元和宏单元和 IP 硬核等较复杂的单元硬核等较复杂的单元。这些单元。这些单元版图版图也都采用全定制方法设计，也都采用全定制方法设计，同样也要经过专门优化同样也要经过专门优化和严格验证，但电路版图在性能和面积方面要比单和严格验证，但电路版图在性能和面积方面要比单纯基于标准单元设计的版图好很多。纯基于标准单元设计的版图好很多。5/4/202417Standard Cell Techniques标准单元库的特点标准单元库的特点(5/5)一个完整的一个完整的ASIC单元库单元库应该包含每个单元应该包含每个单元用于各设计阶段自动化设计工具的所有信息用于各设计阶段自动化设计工具的所有信息（用（用”view”来表征）：来表征）：逻辑属性逻辑属性(logic view)，时序属性，时序属性(timing view)，物理属性，物理属性(physical view)，功率属性，功率属性(power view)，和电学属性，和电学属性(electrical view)。所有这些属性一起给单元库中的每一个单元提所有这些属性一起给单元库中的每一个单元提供了一个完整的描述。在供了一个完整的描述。在IC设计的实现过程中不同设计的实现过程中不同的自动化的自动化CAD 工具用它们来完成不同的设计任务。工具用它们来完成不同的设计任务。5/4/202418Standard Cell Techniques版图库版图库P&R工具生成工具生成层次化的版图层次化的版图；单元库里的版图是构成层次化版图的单元库里的版图是构成层次化版图的叶单元叶单元；单元库里的版图形状必须单元库里的版图形状必须规则化规则化，以便于，以便于P&R工具工具拼接并易于进行拼接并易于进行布局布线；布局布线；单元库里的版图必须满足工具使用的要求，单元库里的版图必须满足工具使用的要求，也就是与工具有关；也就是与工具有关；5/4/202419Standard Cell Techniques工具对版图的要求工具对版图的要求功能的完整性功能的完整性：通常必须包括通常必须包括inverter、buffer、tristate buffer(三态缓冲三态缓冲)、NAND和和NOR(或或AND和和OR)、Latch(带复位和置位带复位和置位)、及、及Flip-Flop等；等；模型库模型库必须包含延迟、功耗、输入电容、输必须包含延迟、功耗、输入电容、输出电容等特征值；出电容等特征值；还须包括还须包括VHDL/Verilog模型及引脚列表，并模型及引脚列表，并给出引脚的方向给出引脚的方向(input、output、inout)；5/4/202420Standard Cell Techniques标准准单元元库的主要内容的主要内容SSI logic:e.g.nand,nor,xor,inverters,buffers,latchs,registers;Memories:e.g.RAM,ROM;System level blocks:e.g.multipliers,microcontrollers;Datapath:e.g.ALUs,adders,register,shifters;MSI logic:e.g.decoders,encoders,adders,comparators;5/4/202421Standard Cell Techniques开发单元库的基本步骤开发单元库的基本步骤 5/4/202422Standard Cell Techniques有效性有效性(Efficiency)：如果综合和布局布线的结果：如果综合和布局布线的结果速度快、芯片面积小，且功耗低，则说明单元库有速度快、芯片面积小，且功耗低，则说明单元库有效而且高质量。效而且高质量。单元元库的的质量量评价价(1/3)ASIC单元库的质量对用该库实现的设单元库的质量对用该库实现的设计的质量影响极大。计的质量影响极大。ASIC 单元库的质量可单元库的质量可用以下标准评价：用以下标准评价：可靠性可靠性(Robustness)：一个单元库在面积、功耗和：一个单元库在面积、功耗和性能方面做到了平衡，但是如果不可靠，那这个库性能方面做到了平衡，但是如果不可靠，那这个库没有任何作用。因此库单元的设计必须要对没有任何作用。因此库单元的设计必须要对ESD静静电保护、闩锁效应的抑制、电子迁移、天线效应和电保护、闩锁效应的抑制、电子迁移、天线效应和噪声灵敏度方面有所考虑。噪声灵敏度方面有所考虑。5/4/202423Standard Cell Techniques标准准单元元库的的质量量评价价(2/3)可移植性可移植性(Portability)：在对库的评价上，库对：在对库的评价上，库对多种代工的可移植能力的重要性在逐渐增加。用一多种代工的可移植能力的重要性在逐渐增加。用一套适用于多个厂商的通用设计规则建立的单元库则套适用于多个厂商的通用设计规则建立的单元库则有好的移植性。有好的移植性。可用性可用性(Usability)：如果没有配套的设计属性，：如果没有配套的设计属性，库库再大也没有作用。在下面列出的设计属性类型中，再大也没有作用。在下面列出的设计属性类型中，取决于不同的设计方法，一个可用的库需要配套的取决于不同的设计方法，一个可用的库需要配套的设计属性也不同。包括：电路设计、综合、模拟、设计属性也不同。包括：电路设计、综合、模拟、布局布线、静态时序验证和布局布线、静态时序验证和ATPG。5/4/202424Standard Cell Techniques标准准单元元库的的质量量评价价(3/3)时间性时间性(Timeliness)：一个库必须要能在工艺有效：一个库必须要能在工艺有效的早期时间投入使用。否则工艺不能发挥最大的潜的早期时间投入使用。否则工艺不能发挥最大的潜力来产生效益。力来产生效益。成本成本(Cost)：库的成本是很难说的。开发一个库在：库的成本是很难说的。开发一个库在开发工具和时间上的成本可能都是很高的。但是，开发工具和时间上的成本可能都是很高的。但是，买一个现成的库总是意味着在想要的和可用的之间买一个现成的库总是意味着在想要的和可用的之间进行了折衷。因此，在购买库和开发库之间，你选进行了折衷。因此，在购买库和开发库之间，你选择其中的一个一定是因为其明显的经济优势，反之择其中的一个一定是因为其明显的经济优势，反之亦然。亦然。5/4/202425Standard Cell Techniques3.3 标准单元标准单元什么是标准单元什么是标准单元硬件模块的抽象描述硬件模块的抽象描述标准单元的基本属性标准单元的基本属性标准单元的基本特性标准单元的基本特性标准单元的基本结构标准单元的基本结构265/4/202426Standard Cell Techniques什么是标准单元什么是标准单元标准单元标准单元是指是指基于单元的设计中用到的预先基于单元的设计中用到的预先定义好的、特征化的具有通用接口实现和规定义好的、特征化的具有通用接口实现和规则结构的基本构建模块则结构的基本构建模块。将将常用于各种常用于各种ASIC设计设计中的不同类型的中的不同类型的叶单元或叶单元或“构建模块构建模块”进行优化，形成具有进行优化，形成具有通用接口实现和规则结构的可重复利用的单通用接口实现和规则结构的可重复利用的单元库。元库。5/4/202427Standard Cell Techniques标准单元的分类标准单元的分类 单元库里的标准单元，或者是用于存储信息，或单元库里的标准单元，或者是用于存储信息，或者是完成某种特定的逻辑功能。者是完成某种特定的逻辑功能。用于存储数据的标准单元类型称为用于存储数据的标准单元类型称为时序单元时序单元，如，如Flip-flops(FF)和和latches，它们是任何一个，它们是任何一个ASIC单单元库中必不可少的部分。元库中必不可少的部分。用于对输入的逻辑信号完成特定的逻辑运算的标用于对输入的逻辑信号完成特定的逻辑运算的标准单元类型称为准单元类型称为组合单元组合单元，如，如nand,nor,xor,inverters和和buffers等等。5/4/202428Standard Cell Techniques硬件模硬件模块的抽象描述的抽象描述(1/3)(1/3)如下图所示，在芯片的实现过程中，模块电路如下图所示，在芯片的实现过程中，模块电路的抽象描述有四种层级。的抽象描述有四种层级。最低的一级是晶体管级或器件级最低的一级是晶体管级或器件级。在。在这一级中的这一级中的单元模块直接用单元模块直接用诸如晶体管、二极管、电容和电阻一诸如晶体管、二极管、电容和电阻一类类最基本的器件元素来描述最基本的器件元素来描述。标准单元就是直接用晶标准单元就是直接用晶体管构成的体管构成的，它比晶体管的抽象层高一级。，它比晶体管的抽象层高一级。5/4/202429Standard Cell Techniques硬件模硬件模块的抽象描述的抽象描述(2/3)(2/3)晶体管级的上一级是单元级晶体管级的上一级是单元级。在这一级中的。在这一级中的模块模块设计用标准单元构成设计用标准单元构成。再上一级是模块级再上一级是模块级。在这一级中，设计是。在这一级中，设计是用用诸如诸如加法器、乘法器、加法器、乘法器、ALU和移位寄存器类的和移位寄存器类的功能模块来功能模块来描述的描述的。最高一级是芯片级最高一级是芯片级。在这一级中，设计。在这一级中，设计被划分为被划分为诸如诸如DSP、微控制器、微控制器、MPEG编码器、编码器、UART、USB、ADC、DAC和和PLL类的类的具有复杂功能的具有复杂功能的子系统子系统。抽象的层次越高，设计中所含的具体实现细节就抽象的层次越高，设计中所含的具体实现细节就越少。越少。5/4/202430Standard Cell Techniques标准单元的基本属性标准单元的基本属性(1/3)单元的单元的物理版图物理版图(physical appearance)单元的单元的逻辑功能逻辑功能(logic functionality)单元的单元的时序特性时序特性(timing behavior)单元的单元的电学特性电学特性(electrical characteristics)由于标准单元是由于标准单元是ASIC设计方法的基本构成模设计方法的基本构成模 块，因此在用这些单元构建芯片时必须要提供给块，因此在用这些单元构建芯片时必须要提供给CAD 工具相应的单元信息：工具相应的单元信息：5/4/202431Standard Cell Techniques标准单元的基本属性标准单元的基本属性(2/3)因此，在因此，在ASIC单元库中单元库中以一定的数据格式将以一定的数据格式将 单元特征化、模型化及存储。故对每一个单元而言，单元特征化、模型化及存储。故对每一个单元而言，一个完整的一个完整的ASIC单元库应该包含单元库应该包含单元用于单元用于各个不同各个不同的设计阶段中的自动化设计工具的如下信息的设计阶段中的自动化设计工具的如下信息(将其特将其特征化为属性征化为属性”view”)：逻辑属性逻辑属性(logic view)，时序属性时序属性(timing view)，物理物理/版图属性版图属性(physical view)，功率属性功率属性(power view)和和电学属性电学属性(electrical view)。所有这些属性一起给单元库中的每一个单元提所有这些属性一起给单元库中的每一个单元提供了一个完整的描述。在供了一个完整的描述。在IC设计的实现过程中不同设计的实现过程中不同的自动化的自动化CAD 工具用它们来完成不同的设计任务。工具用它们来完成不同的设计任务。5/4/202432Standard Cell Techniques 这些不同的单元属性在芯片的实现过程中被这些不同的单元属性在芯片的实现过程中被不同的不同的EDA工具分别用于工具分别用于获取电路结构获取电路结构、模拟模拟、时序验证时序验证、布局布线布局布线、功率分析功率分析和和电学特性检查电学特性检查。在单元的所有属性中，在单元的所有属性中，最常用的三种单元属性最常用的三种单元属性是：是：符号属性符号属性(Symbol View)、结构属性结构属性(Schematic View)和和版图属性版图属性(Layout View)。标准单元的基本属性标准单元的基本属性(3/3)5/4/202433Standard Cell Techniques1x反相器的基本属性反相器的基本属性(1/2)VinVoutCLVDDSymbol viewSchematic viewlayout view5/4/202434Standard Cell Techniques1x反相器的基本属性反相器的基本属性(2/2)5/4/202435Standard Cell TechniquesD Flip-Flop的基本属性的基本属性(1/3)Symbol viewSchematic viewDClkQ5/4/202436Standard Cell TechniquesD Flip-Flop的基本属性的基本属性(2/3)layout view5/4/202437Standard Cell TechniquesD Flip-Flop的基本属性的基本属性(3/3)5/4/202438Standard Cell Techniques结论结论 从这些单元的从这些单元的schematic view可知，显可知，显然功能不同的单元的电路结构的复杂程度也然功能不同的单元的电路结构的复杂程度也不相同，不相同，结构的复杂程度取决于单元逻辑功结构的复杂程度取决于单元逻辑功能的复杂程度能的复杂程度。相应地，单元版图的尺寸又取决于结构的相应地，单元版图的尺寸又取决于结构的复杂程度相关。复杂程度相关。5/4/202439Standard Cell Techniques标准准单元的基本特性元的基本特性电路设计相关特性电路设计相关特性基本形状基本形状(版图设计版图设计)相关特性相关特性单元接口单元接口(版图接口版图接口)相关特性相关特性 标准单元级的建立使芯片设计易于实现，尤其是标准单元级的建立使芯片设计易于实现，尤其是对大的数字设计而言。因此要考虑标准单元本身的设对大的数字设计而言。因此要考虑标准单元本身的设计，首要的一点就是单元库应该与所用的制造工艺的计，首要的一点就是单元库应该与所用的制造工艺的特殊要求和特征兼容。特殊要求和特征兼容。标准单元的基本特性主要表现为：标准单元的基本特性主要表现为：5/4/202440Standard Cell Techniques标准单元的电路设计相关特性标准单元的电路设计相关特性每个单元的功能、电学特性都要经过测试、每个单元的功能、电学特性都要经过测试、分析和说明分析和说明。通常会先生产一块测试芯片，然后通过实际的通常会先生产一块测试芯片，然后通过实际的硅芯片对每个单元的性能进行分析。有时仅仅完成硅芯片对每个单元的性能进行分析。有时仅仅完成一个工艺特征步骤来生成晶体管特性的仿真模型，一个工艺特征步骤来生成晶体管特性的仿真模型，而库特性分析工具就是使用这些模型来建立每个单而库特性分析工具就是使用这些模型来建立每个单元的仿真模型。元的仿真模型。为每种单元类型设计多种驱动强度的实现为每种单元类型设计多种驱动强度的实现。而且不同的驱动强度都是基本尺寸或最小尺寸而且不同的驱动强度都是基本尺寸或最小尺寸的倍数。的倍数。5/4/202441Standard Cell Techniques标准单元基本形状相关特性标准单元基本形状相关特性(1/4)标准单元的版图设计中，标准单元的版图设计中，用预先定义的模板用预先定义的模板建立单元建立单元，以保证满足所有要求。，以保证满足所有要求。模板应该模板应该包括单元的高度、阱的布局、包括单元的高度、阱的布局、N型晶型晶体管、体管、P型晶体管和一些要遵守的准则型晶体管和一些要遵守的准则，以此来确，以此来确保单元能垂直或水平翻转，而且当其被放在其他单保单元能垂直或水平翻转，而且当其被放在其他单元旁边时不致引起元旁边时不致引起DRC等规则错误。等规则错误。单元版图必须采用全定制设计单元版图必须采用全定制设计。5/4/202442Standard Cell Techniques标准单元基本形状相关特性标准单元基本形状相关特性(2/4)所有单元都是矩形且有相所有单元都是矩形且有相同的高度，但宽度可变同的高度，但宽度可变，单元版图的尺寸由单元的单元版图的尺寸由单元的高度和宽度定义高度和宽度定义。单元的边界属性用于布单元的边界属性用于布局阶段布局布线工具确定单局阶段布局布线工具确定单元的具体位置。元的具体位置。关键是关键是要用尽可能小的要用尽可能小的面积实现单元版图的设计面积实现单元版图的设计。5/4/202443Standard Cell Techniques标准单元基本形状相关特性标准单元基本形状相关特性(3/4)一般情况下，一般情况下，单元版图内只用金属单元版图内只用金属1(和和2)来来实现连接实现连接。高层金属通常用于信号通道的布线。高层金属通常用于信号通道的布线。在单元的版图属性中，在单元的版图属性中，用一些几何图形定义用一些几何图形定义单元的信号端口单元的信号端口(port)。在后面的布线阶段用于布线器实现信号连接。在后面的布线阶段用于布线器实现信号连接。在单元的上部和下部在单元的上部和下部，用预先定义的相同宽用预先定义的相同宽度和位置的金属线实现单元中电源度和位置的金属线实现单元中电源(DVDD)和地和地(DVSS)的连接的连接。5/4/202444Standard Cell Techniques标准单元基本形状相关特性标准单元基本形状相关特性(4/4)自动化实现单元拼接自动化实现单元拼接时，时，单元成行排列单元成行排列，布线在单元行之间进布线在单元行之间进行行，故单元行之间的，故单元行之间的区域定义为区域定义为布线通道布线通道(wiring channel)。每个单元长度是由粗栅格的倍数构成的每个单元长度是由粗栅格的倍数构成的。5/4/202445Standard Cell Techniques所有单元的尺寸和形状必须规则；所有单元的尺寸和形状必须规则；在同一层上的所有在同一层上的所有金属信号线有相同金属信号线有相同的线宽；的线宽；标准单元库中所有单元只用一种单元高度模标准单元库中所有单元只用一种单元高度模式：即所有单元式：即所有单元固定高度固定高度、可变宽度可变宽度；标准单元的基本形状标准单元的基本形状 单元中的电源线和单元中的电源线和地线必须有相同的地线必须有相同的线宽。线宽。必须易于水平拼接并成行排列。必须易于水平拼接并成行排列。5/4/202446Standard Cell Techniques-25 microns wide(lambda is 0.25)-AB:abutment box-BB:bounding box-Power supplies:VDD,GND-Each different shaded and labeled pattern represents a different layer-Connections:A1,B1,Z04 May 202447标准单元的内部结构标准单元的内部结构Standard Cell Techniques同一行中的单元布局同一行中的单元布局单元中的电源单元中的电源/地必须与相邻单元的电源地必须与相邻单元的电源/地地相连接；相连接；单元的水平宽度不必单元的水平宽度不必相同；相同；单元通常可以水平翻转；单元通常可以水平翻转；必须严格遵守设计规必须严格遵守设计规则；则；VDDGND5/4/202448Standard Cell Techniques相邻两行的单元布局相邻两行的单元布局相邻两行的电源线和相邻两行的电源线和地线可直接拼接；地线可直接拼接；相邻两行中的某些单相邻两行中的某些单元可部分重叠；元可部分重叠；单元行通常可垂直翻单元行通常可垂直翻转；转；5/4/202449Standard Cell TechniquesTwo Rows of Standard Cells5/4/202450Standard Cell Techniques基于标准单元的版图基于标准单元的版图是由许多的标准单元行构成的，标准单元行是由许多的标准单元行构成的，标准单元行之间通常用布线通道间隔；之间通常用布线通道间隔；布线可用金属层在单元上走线；布线可用金属层在单元上走线；基于标准单元的模块电路高度与宽度之比要基于标准单元的模块电路高度与宽度之比要受到其他因素的影响；受到其他因素的影响；一个完整的芯片电路通常是由许多的标准单一个完整的芯片电路通常是由许多的标准单元模块构成的；元模块构成的；5/4/202451Standard Cell Techniques标准单元接口相关特性标准单元接口相关特性所有输入、输出端口都有预先定义的类型、所有输入、输出端口都有预先定义的类型、层、位置、尺寸和接口点层、位置、尺寸和接口点。端口是为布线工具布线准备的，应根据布线工端口是为布线工具布线准备的，应根据布线工具对其进行优化，以获得最好的结果。具对其进行优化，以获得最好的结果。单元接口设计可以共享一些连接，单元接口设计可以共享一些连接，如连接到如连接到电源和地的晶体管的源端可以共用。在一定电源和地的晶体管的源端可以共用。在一定的条件下，单元间可以共用衬底和阱接触孔的条件下，单元间可以共用衬底和阱接触孔.例如通过使用定义在栅格上的信号间距可以使例如通过使用定义在栅格上的信号间距可以使布线更加简便快捷。栅格技术的运用简化了布线工布线更加简便快捷。栅格技术的运用简化了布线工具的算法，从而使布线工具将占用较少的计算资源具的算法，从而使布线工具将占用较少的计算资源5/4/202452Standard Cell Techniques标准单元的基本结构标准单元的基本结构(1/6)Pitch:单元高度。单元高度。所有单元所有单元有相同的高度有相同的高度pitch，和可变的宽度，和可变的宽度，从，从而可以实现按行对准和排列。而可以实现按行对准和排列。04 May 202453 对数字版图而言，特别是在标准单元版图中，对数字版图而言，特别是在标准单元版图中，由于布局布线工具的限制，固定高度，可变宽度的由于布局布线工具的限制，固定高度，可变宽度的单元是唯一可行的设计方法。单元是唯一可行的设计方法。在整个数字版图设计在整个数字版图设计中是一种相当常用的设计方法。中是一种相当常用的设计方法。Standard Cell Techniques标准单元的基本结构标准单元的基本结构(2/6)电源电源/地线以相同的高度水平走线穿过单元，可地线以相同的高度水平走线穿过单元，可用于实现单元水平方向的拼接。用于实现单元水平方向的拼接。其他连线通过单元顶部和其他连线通过单元顶部和/或底部的端点进行连或底部的端点进行连接，布线通道可根据网表实现端点间的互连。接，布线通道可根据网表实现端点间的互连。VDD,VSS连接连接对整个单元库中的所有单元对整个单元库中的所有单元具有预先定义好的相同的宽度和位置。具有预先定义好的相同的宽度和位置。5/4/202454Standard Cell TechniquesVDDVSSn tubp tubIntra-cell wiringpullupspulldownspinpinFeedthrough area04 May 202455填充单元填充单元(feed-through)可以增加垂直布线可以增加垂直布线通道。通道。标准单元的基本结构标准单元的基本结构(3/6)对于只提供两层布线的工艺而言，设计中运用填对于只提供两层布线的工艺而言，设计中运用填充单元充单元是添加垂直布线通道的惟一方法。是添加垂直布线通道的惟一方法。Standard Cell Techniques填充单元填充单元(Feed-through)是指是指不包含晶体管的空单元不包含晶体管的空单元，只提供垂只提供垂直方向的通道直方向的通道，用以连接不同的布线通道上用以连接不同的布线通道上的信号的信号。当单元上没有更多的布线资源时，可将当单元上没有更多的布线资源时，可将填充单元添加到单元间以允许垂直连接。填充单元添加到单元间以允许垂直连接。5/4/202456Standard Cell Techniques标准单元的基本结构标准单元的基本结构(4/6)端口端口可用不同的方式放置：可用不同的方式放置：端口靠近单元的顶部和底部以进行连接。端口靠近单元的顶部和底部以进行连接。04 May 202457端口放置在单元中间从而实现单元上走线端口放置在单元中间从而实现单元上走线。以确保有效地使用布线通道，并减少独立的填充以确保有效地使用布线通道，并减少独立的填充单元的使用。单元的使用。但通过单元顶部和底部两边的端口在单元上面走但通过单元顶部和底部两边的端口在单元上面走线，增加了信号的寄生负载，并最少了最终设计的整线，增加了信号的寄生负载，并最少了最终设计的整体空隙率。体空隙率。相同的单元的整体面积可能会更小；而如果连接相同的单元的整体面积可能会更小；而如果连接的单元是相邻的，则端口的连接会很短，并且不会浪的单元是相邻的，则端口的连接会很短，并且不会浪费任何布线通道的间距。费任何布线通道的间距。Standard Cell TechniquesComparison of Cell Interfaces04 May 202458Example AExample BExample C通道布线工具通道布线工具(不允许在单不允许在单元上走线或元上走线或1 1层金属）。层金属）。通道布线工具通道布线工具(允许在允许在单元上走线单元上走线),2),2，3 3层金层金属可以布线。属可以布线。通道布线工具通道布线工具(允许在单元允许在单元上走线），短的金属上走线），短的金属1 1水平水平走线。走线。Standard Cell Techniques标准单元的基本结构标准单元的基本结构(5/6)标准单元的设计和结构依赖于加工工艺中可标准单元的设计和结构依赖于加工工艺中可用的布线层数用的布线层数。如果在单元内部只有一个金属层用于形成大多数如果在单元内部只有一个金属层用于形成大多数的晶体管内部连接的晶体管内部连接，布线工具则仅能连接放置在单，布线工具则仅能连接放置在单元边界上的引脚，与单元端口连接的第二层金属只元边界上的引脚，与单元端口连接的第二层金属只是连接单元的顶部或底部。是连接单元的顶部或底部。设计则由两行和两行间的布线通道构成。设计则由两行和两行间的布线通道构成。对于对于只提供两层布线的工艺而言只提供两层布线的工艺而言，设计中运用填充单元设计中运用填充单元feed-through是添加垂直布线通道的惟一方法是添加垂直布线通道的惟一方法。5/4/202459Standard Cell Techniques基于标准单元的版图方法基于标准单元的版图方法 without over the cell routing)(1980s)signalsRoutingchannelVDDGND04 May 20246060Standard Cell Techniques通道布线通道布线 Channel Routing 04 May 202461Standard Cell Techniques标准单元的基本结构标准单元的基本结构(6/6)如果在单元中间含有通孔的设计实现如果在单元中间含有通孔的设计实现，则，则可以把可以把端口放在中间，在单元上方进行布线端口放在中间，在单元上方进行布线。这时，垂直。这时，垂直布线通道可能位于单元上方，并且在最终设计中减布线通道可能位于单元上方，并且在最终设计中减少了填充单元的使用。少了填充单元的使用。5/4/202462Standard Cell TechniquesM2No RoutingchannelsVDDGNDM3VDDGNDMirrored CellMirrored Cell04 May 202463基于标准单元的版图方法基于标准单元的版图方法 with over the cell routing 1990s在三层以上的金属布线工艺中在三层以上的金属布线工艺中，几乎所有的通道都，几乎所有的通道都能去掉，所有的布线都可以在单元上方完成能去掉，所有的布线都可以在单元上方完成。63Standard Cell TechniquesStandard Cell Layout Example 1/3Cell height 12 metal tracksMetal track is approx.3 +3 Pitch=repetitive distance between objectsCell height is“12 pitch”Cell boundaryN Well2Rails 10 InOutVDDGND04 May 20246464Standard Cell TechniquesStandard Cell Layout Example 2/3InOutVDDGNDInOutVDDGNDWith silicided diffusionWith minimaldiffusionrouting04 May 20246565Standard Cell TechniquesStandard Cell Layout Example 3/3AOutVDDGNDB2-input NAND gate04 May 20246666Standard Cell TechniquesStandard Cell-Example3-input NAND cell(from ST Microelectronics):C=Load capacitanceT=input rise/fall time04 May 202467Standard Cell Techniques单元行版图单元行版图所有单元所有单元固定高度固定高度，成行排列；，成行排列；总体结构总体结构:p-transistors“gap”(间隙间隙)between n,p transistors 用于单元内的布线用于单元内的布线n-transistors单元行上面或下面的布线通道单元行上面或下面的布线通道routing channel(“gap”)P-TransistorsN-TransistorsShort wiresRouting ChannelFeedthrough04 May 202468Standard Cell TechniquesStandard Cell Row04 May 202469FEEDTHROUGHVDDGNDStandard Cell Techniques基于标准单元的芯片版图的布线基于标准单元的芯片版图的布线04 May 202470-单元间的互连位于单单元间的互连位于单元行之间的区域（称为元行之间的区域（称为通道）；通道）；-FeedthroughFeedthrough：将信号跨单元进行传输的一段金属或多晶硅，：将信号跨单元进行传输的一段金属或多晶硅，或是单元中作为备用的传送信号通道的区域；或是单元中作为备用的传送信号通道的区域；-相邻的两个金属互连相邻的两个金属互连层层(metal1 and metal2)走线相互垂直；走线相互垂直；Standard Cell TechniquesPMOSNMOSPMOSNMOSVDDVSSSSI/LSI blocks：版图形式是单元块成行排列，单元行之间用版图形式是单元块成行排列，单元行之间用布线区分隔；布线区分隔；SSI/LSI 标准单元的概念可扩展到更高一级功能级上，经标准单元的概念可扩展到更高一级功能级上，经常可用作参数化的模块。常可用作参数化的模块。5/4/202471Standard Cell Techniques基于标准单元的芯片版图基于标准单元的芯片版图04 May 202472单元成行排列，并可直接单元成行排列，并可直接邻接；邻接；I/O pads沿芯片四周排沿芯片四周排放；放；同一行中的单元可邻接排同一行中的单元可邻接排放；放；电源线和地线在电源线和地线在I/O pads和核心电路和核心电路(core cells)之间成环形布线；之间成环形布线；Standard Cell Techniques3.4 基于基于标准准单元技元技术的的设计规则 Design Rules for Cell-Based approach标准网格标准网格 Standardized Grids定向型工艺层技术定向型工艺层技术 Directional Layer Technique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 Library Rules For Grid-Based Systems5/4/202473Standard Cell Techniques标准化的网格准化的网格Standardized Grids网格式系统网格式系统 Grid-Based Systems规则式布线器规则式布线器 Rule-Based Routers5/4/202474Standard Cell Techniques网格式系统网格式系统(1/2)标准版图系统把每一样东西都以一个标准网格作标准版图系统把每一样东西都以一个标准网格作为对准的基础，使我们能够自动布线并保证标准单元为对准的基础，使我们能够自动布线并保证标准单元整体布局的可操作性。这一网格就像积木底板的绿色整体布局的可操作性。这一网格就像积木底板的绿色方形塑料板。方形塑料板。经典的布线器经典的布线器以网格为基础以网格为基础。一个网格式布线器一个网格式布线器要遵循两个约束条件要遵循两个约束条件：导线只能有几种固定的宽度；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。导线只能放在预先确定了坐标的网格上。5/4/202475Standard Cell Techniques网格式系统网格式系统(2/2)在网格式设计系统中，不能随意设计想要的任在网格式设计系统中，不能随意设计想要的任何东西，而是何东西，而是必须要遵循对准网格的规则必须要遵循对准网格的规则。网格式系统是一个有用的模板，网格式系统是一个有用的模板，在布局布线时在布局布线时可用来可用来减少占用的计算机资源减少占用的计算机资源，且布线的速度更快，且布线的速度更快，因为布线器不会考虑那些不在布线路径上的点。因为布线器不会考虑那些不在布线路径上的点。5/4/202476Standard Cell Techniques布布线格点的格点的类型型(1/2)线到线线到线 Line to Line线到通孔线到通孔 Line to via通孔到通孔通孔到通孔 Via to via 布线格点的选择很重要。目前使用的格点有三种：布线格点的选择很重要。目前使用的格点有三种：5/4/202477Standard Cell TechniquesRouting Grid Types(2/2)采用采用线到线的间距线到线的间距，则在使用通孔时很多金属走线，则在使用通孔时很多金属走线需要信号线拐角。此时单元的尺寸是最小的，但需需要信号线拐角。此时单元的尺寸是最小的，但需要牺牲可布线性，且布线工具完成布线所需的时间要牺牲可布线性，且布线工具完成布线所需的时间也更长。也更长。采用采用线到通孔的间距线到通孔的间距，则当两个通孔放置在相邻的，则当两个通孔放置在相邻的线上时，金属走线也需要拐角。而尝试避免这些拐线上时，金属走线也需要拐角。而尝试避免这些拐角的出现则会引起版图资源的消耗，可能会抵消掉角的出现则会引起版图资源的消耗，可能会抵消掉信号间距缩小所带来的面积节省。信号间距缩小所带来的面积节省。采用采用通孔到通孔的间距通孔到通孔的间距,设计的设计的空隙率空隙率(the porosity)最大，且布线也更简单。当然，单元的尺寸是最大的。最大，且布线也更简单。当然，单元的尺寸是最大的。5/4/202478Standard Cell TechniquesRouting Grid Types5/4/202479Standard Cell Techniques确定了导线的最小宽度和导线间的最小间距也就确定确定了导线的最小宽度和导线间的最小间距也就确定了网格的粗细。了网格的粗细。确定网格尺寸确定网格尺寸 最小金属线越宽，或金属线间必须隔得越远，网最小金属线越宽，或金属线间必须隔得越远，网格也就越大。格也就越大。设计规则决定了网格尺寸；设计规则决定了网格尺寸；对同一工艺中的任何其他金属层采用同样的方法。对同一工艺中的任何其他金属层采用同样的方法。当我们在整个芯片上遍布了一组水平当我们在整个芯片上遍布了一组水平(x)(x)和垂直和垂直(y)(y)的网格线，网格式布线器只能沿网格线从一个交叉的网格线，网格式布线器只能沿网格线从一个交叉点到另一个交叉点布线。点到另一个交叉点布线。自动布线器布置的导线以自动布线器布置的导线以x x和和y y网格线为中心线网格线为中心线。5/4/202480Standard Cell Technique