第六章半定制设计模式课件

EE141VLSI集成电路和系统设计第六章第六章 半定制设计模式半定制设计模式EE141VLSI集成电路和系统设计 1 引引 言言q按版图设计自动化程度分:手工设计 半自动设计 全自动设计q按版图结构及制造方法分:半定制（semi-custom）全定制（full-custom）EE141VLSI集成电路和系统设计2 门阵列、宏单元阵列及门海门阵列、宏单元阵列及门海 一、门阵列设计模式一、门阵列设计模式(gate array）门阵列设计模式又称为母片（master slice）法。它预先设计和制造好各种规模的母片，如1000门，3000门，5000门，10000门母片上除其金属连线及引线孔以外的各层图形均是固定不变的，且以阵列形式排列。EE141VLSI集成电路和系统设计q母片结构母片结构EE141VLSI集成电路和系统设计q基本单元基本单元 在门阵列母片中，一个基本单元是以三对或五对管子组成，基本单元的高度，宽度都是相等的，并按行排列。EE141VLSI集成电路和系统设计q单元库中存放的信息：单元库中存放的信息：NAND3电路图逻辑图版图：孔、引线电路参数：扇入，扇出门延迟时间EE141VLSI集成电路和系统设计q单元库单元库 单元库中存有上百种不同功能的单元电路，这些单元作为系统设计的基础，可以重复使用。它是由Foundry提供的。q门门阵阵列列的的生生产产制制造造可可以以分分为为两两个个相相对对独独立的过程：立的过程：第一个过程是母片的制造，同时提供与之配套的单元库。第二个过程是根据用户所要实现的电路，完成母片上电路单元的布局及单元间连线。然后对这部分金属线及引线孔的图形进行制版、流片。EE141VLSI集成电路和系统设计q门阵列的设计流程门阵列的设计流程q门阵列设计的优点：门阵列设计的优点：（1）事先制备母片，使设计周期缩短。（2）母片及库单元都是事先设计好，并经过验证。因此，正确性得到保证。（3）门阵列模式非常规范，自动化程度高。（4）价格低，适合于小批量的ASIC设计。EE141VLSI集成电路和系统设计q门阵列设计的缺点：门阵列设计的缺点：（1）芯片利用率低，70%左右。（2）不够灵活，对设计限制太多。（3）布通率不能做到100%布通，要人工解决剩线问题。EE141VLSI集成电路和系统设计 二、宏单元阵列模式（二、宏单元阵列模式（macro-cell array）为了提高门阵列的芯片利用率，一种改进的结构是去掉垂直方向的走线通道，跨越单元行的线可以利用空闲栅来完成。EE141VLSI集成电路和系统设计 三、门海设计模式（三、门海设计模式（sea of gates）门海设计模式进一步改进了宏单元阵列的版图结构，取消了水平方向的走线通道，成为一种无通道（channel-less）的门阵列，它仍然保留了半定制设计法的优点：母片预制。EE141VLSI集成电路和系统设计 3 标准单元设计模式标准单元设计模式 （Standard Cell Design Style）标准单元设计与门阵列设计的最大区别是它没有母片。但是，它有单元库，版图中晶体管的排列是规则的，在制造时，需要从头开始制版。EE141VLSI集成电路和系统设计q标准单元设计模式标准单元设计模式EE141VLSI集成电路和系统设计q标准单元设计方法标准单元设计方法*标准单元中的基本单元是等高的并按行排列*行与行之间留有水平布线通道*单元行之间的垂直方向有垂直走线道、内部走线道。*电源、地线水平规则排列。EE141VLSI集成电路和系统设计q单元库单元库 单元库中存有100200种单元电路*单元名、逻辑图、电路图、电路参数、物理版图。*单元的逻辑功能、电学性能及几何设计规则等都是经过验证和分析的。*单元物理版图包括各层图形。*I/O单元的设计。EE141VLSI集成电路和系统设计q输入保护单元输入保护单元EE141VLSI集成电路和系统设计q输出驱动单元输出驱动单元EE141VLSI集成电路和系统设计q去掉金属铝EE141VLSI集成电路和系统设计q标准单元模式的优点标准单元模式的优点（1）比门阵列更加灵活的布图方式。（2）可以解决布通率问题，达到100%布通率。（3）单元库预先设计，可以提高布图效率。（4）标准单元设计模式，由于其自动化程度高、设计周期短、设计效率高。十分适用于ASIC的设计，是目前应用最广泛的设计方法之一。EE141VLSI集成电路和系统设计q标准单元的改进标准单元的改进*增加了布线层数（38层）和采用“跨单元布线”（over-cell routing）技术。*允许出现双高的单元。*单元引线端的位置也可以任意，不一定要在单元的上下边界上，这样有利于提高芯片的利用率。*含有大模块的标准单元，给自动布图算法带来了一定难度。*无通道的标准单元。EE141VLSI集成电路和系统设计q标准单元布图模式存在的问题标准单元布图模式存在的问题*当工艺更新之后，标准单元库要随之更新，这是一项十分繁重的工作。*为了解决人工设计单元库的费时问题，设计重用（Reuse）技术可用于解决单元库的更新问题。*混合模式的标准单元布图算法研究。EE141VLSI集成电路和系统设计 标准单元布图流程Netlist LibraryTechnology constraintsGlobal&Slot PlacementGrg GenerationResource Estimation Special RoutingEE141VLSI集成电路和系统设计Cross Point AssignmentLayer AssignmentDetailed Area RoutingEndInitial Steiner TreeGlobal RoutingEE141VLSI集成电路和系统设计q标准单元布局标准单元布局问题描述：输入:1 单元库（包括时延信息）；2 互连信息；3 约束条件（芯片高度/行数、区域限制、行方向、障碍、时延、功耗等）；输出:单元位置。目标:在满足所有约束的条件下优化芯片面积和拥挤度。EE141VLSI集成电路和系统设计 标准单元总体布局结果EE141VLSI集成电路和系统设计 标准单元详细布局 总体布局结果 详细布局结果(a)(b)EE141VLSI集成电路和系统设计 标准单元详细布局结果EE141VLSI集成电路和系统设计q布线拥挤区的不可预见性和总体布线结果对布线顺序的依赖性是总体布线算法面临的两大主要问题。q算法目标：-减小线网布线顺序对总体布线结果的影响 -加强对布线拥挤区域的预测，避开拥挤区域 -引入时延、高频串扰、功耗等优化目标 -提高布线算法效率，降低其时间/空间复杂度总体布线中要解决的关键问题EE141VLSI集成电路和系统设计 总体布线图（GRG）EE141VLSI集成电路和系统设计总体布线图及总体布线示意图总体布线图及总体布线示意图EE141VLSI集成电路和系统设计 标准单元总体布线结果EE141VLSI集成电路和系统设计 总体布线结果显示总体布线结果显示EE141VLSI集成电路和系统设计 标准单元详细布线标准单元详细布线引脚通孔轨道枝上边下边干狗腿EE141VLSI集成电路和系统设计HVH模式VHV模式Track 1Track 2Track 3Track 1Track 2各种通道布线模型EE141VLSI集成电路和系统设计通道布线实例EE141VLSI集成电路和系统设计开关盒布线实例EE141VLSI集成电路和系统设计有网格区域布线实例EE141VLSI集成电路和系统设计 无网格布线结果无网格布线结果EE141VLSI集成电路和系统设计 无网格布线结果（局部）无网格布线结果（局部）EE141VLSI集成电路和系统设计4 现场可编程门阵列现场可编程门阵列（FPGA）现 场 可 编 程 门 阵 列（Field Programmable Gate Array）是一种可编程器件，它是近几年迅速发展起来的，用于ASIC设计的一种新方法。FPGA提供了用户可编程和自己制造的能力，极大地缩短了设计和制造时间。EE141VLSI集成电路和系统设计qFPGA设计方法设计方法 一个FPGA芯片由若干个可编程的逻辑模块组成，它们既可以排列成如门阵列那样的块阵列，也可以排列成如宏单元阵列那样的行模式。也可以排列成如门海那样的无通道的模阵列。这些逻辑模块可用一个可编程的布线网络进行互连。一个典型的FPGA逻辑模块比门电路复杂，但比标准单元模式中的单元简单。EE141VLSI集成电路和系统设计qFPGAFPGA设计例子设计例子DEE141VLSI集成电路和系统设计q布尔表达式布尔表达式 P1 P2 P3 P4 A B D B C E D E F D E G 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 01 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 01 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1EE141VLSI集成电路和系统设计qFPGAFPGA结构结构EE141VLSI集成电路和系统设计未编程半成品系统/逻辑设计 模拟验证 布图 编程文件母片在IC 工厂：母片在用户现场：未编程半成品掩膜编程测试、划片、封装 用户产品编程器现场编程 测试检验 用户产品现场可编程门阵列现场可编程门阵列门阵列、宏单元阵列及门海门阵列、宏单元阵列及门海