后端全定制设计及实战.pdf

第一部分 后端全定制设计及实战 第3 章　后端全定制设计之标准单元设计技术 第4 章　后端全定制设计之标准单元电路设计技术 第5 章　后端全定制设计之标准单元电路设计实战 第6 章　后端全定制设计之标准单元版图设计技术 第7 章　后端全定制设计之标准单元版图设计实战 第8 章　后端全定制设计之标准单元特征化技术 第9 章　后端全定制设计之标准单元特征化实战 第3 章 后端全定制设计之标准单元设计技术 集成电路制造工艺已经向超深亚微米和纳米迈进，标准单元库的设计面临着新的挑战。 标准单元库的成功开发对单元库的开发者来说变得越发艰巨，不仅用户的需求越来越高，集 成电路设计的环境也越来越复杂。 标准单元库是集成电路设计的基础，它的质量和性能对集成电路的设计来说至关重要。 具备自行设计标准单元库的后端设计能力能够大大地提升集成电路设计性能并对特殊需求的 设计进行灵活优化。 3.1　设计标准单元库的重要性 随着集成电路工艺技术的迅速发展，系统级芯片（SOC）的规模越来越大，系统级芯片 的设计也越来越复杂。尽可能使用已验证的可重复使用的IP 库，是缩短设计周期、保证设计 一次成功、降低系统级芯片成本的关键。标准单元库是IP 库中最基本的一种，是集成电路设 计的基础，对设计的性能、功耗、面积和成品率至关重要。设计人员在设计之初，必须建立 一套完整的与工艺线相对应的、内容丰富的、设计合理并且参数准确的标准单元库，这已成 为加快设计的必要条件。 流片厂家提供的初级标准单元库虽然是使用最普遍的，但是它的性能无法满足高要求或 者特殊需要的高级设计，在一些重要指标下存在不足： 1 ）在性能方面，厂家的初级标准单元并不是性能最好的，由于它的设计结构很单一， 使用的基本是最经典结构。尽管工艺越来越先进，但是单元实现却一直都是最基础的结构， 因此单元的性能无法得到最大的发挥。 2 ）在灵活性上，厂家的标准单元种类是有限的。由于种类有限，对于稍复杂逻辑实现 不得不通过多个基础单元进行拼接来完成，如果同类复杂逻辑需求比较多的时候，拼接的结 果不但导致逻辑级数增加、速度减慢，还带来后端布线资源的紧张、布线面积的浪费，这将 增大成本和性能开销。 3 ）购买性能更好的标准单元库价格不菲，对于不同的应用，各种具体应用的单元库都 分得很详细，各种不同的库价格不同，比如高性能库、低功耗库等。即使高价购买厂家的高 级标准单元库，实现得到的结果也并不一定令人满意。 第3章　后端全定制设计之标准单元设计技术　25 4 ）特殊应用的标准单元库技术封锁。对于军品级和航天级的设计应用，由于国外对我 国的技术封锁，甚至没有相对应的标准单元库。 因此，自行设计标准单元库在长远发展上意义重大。 3.2　标准单元设计技术 目前，标准单元库的设计面临着新的挑战。首先，由于芯片集成度越来越大，功耗成为 设计中需要着重考虑的因素之一；其次，从成本考虑，芯片的面积利用率需要进一步优化； 其三，由于系统级芯片的工作频率越来越高，从而对芯片的工作性能提出了更高的要求。目 前，许多EDA 厂商推出了针对深亚微米技术带来的问题解决方案与工具，但从现有的设计 流程来说，对标准单元库进行针对深亚微米技术的优化仍是最关键的步骤。然而出于成本的 考虑，通常在标准单元库中很难同时综合考虑高速、低功耗、面积来进行优化。 3.2.1　标准单元的基本介绍 集成电路设计中的单元库是所需单元符号库、单元电路结构库、版图库、电路性能参数 库、功能描述库、设计规则和器件模型参数库的总称。从系统行为描述、逻辑综合、逻辑功 能模拟，到时序分析、验证，直至物理设计中的自动布局、布线，都必须有一个内容丰富、 功能完整的单元库的支持。另一方面，在自底向上的设计流程中，设计是从单元库中一个个 具体单元开始的，逐步构成各级功能模块，直至整个系统。 标准单元法是库单元设计方法的一种，标准单元法的特点是各个单元高度相同宽度不 等，单元宽度随单元功能的复杂程度而变，所有单元的电源线和地线位置相同，如图3-1 所示。 图3-1 所示为4 种不同的电源线和地线的实现形式，可以看出电源线和地线可以处在单 元的任何位置，目前主流的设计是选取图