第五章版图设计技术 2021/2/21
2021/2/21 1 第五章 版图设计技术
第一节引 硅平面工艺是制造 MOS IC的基础。利用不同的 掩膜版,可以获得不同功能的集成电路。因此, 版图设计成为开发新品种和制造合格集成电路的 关键 1、手工设计 人工设计和绘制版图,有利于充分利用芯片面 积,并能满足多种电路性能要求。但是效率低、 周期长、容易岀错,特别是不能设计规模很大的 电路版图。因此,该方法多用于随机格式的、产 量较大的MSI和LSI或单元库的建立。 2021/2/21 2
2021/2/21 2 第一节 引 言 硅平面工艺是制造MOS IC 的基础。利用不同的 掩膜版，可以获得不同功能的集成电路。因此， 版图设计成为开发新品种和制造合格集成电路的 关键。 1、手工设计 人工设计和绘制版图，有利于充分利用芯片面 积，并能满足多种电路性能要求。但是效率低、 周期长、容易出错，特别是不能设计规模很大的 电路版图。因此，该方法多用于随机格式的、产 量较大的MSI和LSI或单元库的建立
涤沦膜上画图 数字化仪输入 CRT显示 绘图仪画图 精缩版 初缩版 PG图形发生器DRC改错 2、计算机辅助设计(CAD) 在计算机辅助设计系统数据库中,预先存入版图的 基本图形,形成图形库。设计者通过一定的操作命 令可以调用、修改、变换和装配库中的图形,从而 形成设计者所需要的版图。 2021/2/21
2021/2/21 3 2、计算机辅助设计（CAD） 在计算机辅助设计系统数据库中，预先存入版图的 基本图形，形成图形库。设计者通过一定的操作命 令可以调用、修改、变换和装配库中的图形，从而 形成设计者所需要的版图。 涤沦膜上画图 数字化仪输入 CRT 显示 绘图仪画图 精 缩 版 初 缩 版 PG 图形发生器 DRC 改错
在整个设计过程中,设计者可以通过显示,观察任 意层次版图的局部和全貌;可以通过键盘、数字化 仪或光笔进行设计操作;可以通过画图机得到所要 绘制的版图图形。利用计算机辅助设计,可以降低 设计费用和缩短设计周期 3、自动化设计 在版图自动设计系统的数据库中,存有单元的电路 图、电路性能参数及版图。在版图设计时,只要将 设计的电路图( Netlist)输入到自动设计系统中, 再输入版图的设计规则和电路的性能要求,自动设 计工具可以进行自动布局设计、自动布线设计并根 据设计要求进行设计优化,最终输出版图。 2021/2/21
2021/2/21 4 在整个设计过程中，设计者可以通过显示，观察任 意层次版图的局部和全貌；可以通过键盘、数字化 仪或光笔进行设计操作；可以通过画图机得到所要 绘制的版图图形。利用计算机辅助设计，可以降低 设计费用和缩短设计周期。 3、自动化设计 在版图自动设计系统的数据库中，存有单元的电路 图、电路性能参数及版图。在版图设计时，只要将 设计的电路图（Netlist）输入到自动设计系统中， 再输入版图的设计规则和电路的性能要求，自动设 计工具可以进行自动布局设计、自动布线设计并根 据设计要求进行设计优化，最终输出版图
第二节版图设计过程 布图设计的输入是电路的元件说明和网表,其输出 是设计好的版图。通常情况下,整个布图设计可分 为划分( Partition):布图规划( Floor-planning):布局 ( Placement);布线( Routing)和压缩( Compaction)。 划分 由于一个芯片包含上亿个晶体管,为了降低设计复 杂性,通常把整个电路划分成若干个模块,将处理 问题的规模缩小。划分时要考虑的因素包括模块的 大小、模块的数目和模块之间的连线数等 2021/2/21
2021/2/21 5 第二节 版图设计过程 布图设计的输入是电路的元件说明和网表，其输出 是设计好的版图。通常情况下，整个布图设计可分 为划分(Partition)；布图规划(Floor-planning)；布局 (Placement)；布线((Routing)和压缩(Compaction)。 一、划分 由于一个芯片包含上亿个晶体管，为了降低设计复 杂性，通常把整个电路划分成若干个模块，将处理 问题的规模缩小。划分时要考虑的因素包括模块的 大小、模块的数目和模块之间的连线数等
二、布图规划和布局 ·布图规划是根据模块包含的器件数估计其面 积,再根据该模块和其它模块的连接关系以及 上一层模块或芯片的形状估计该模块的形状和 相对位置。其优化目标是:电路性能,包括时 延,噪声、串扰等,同时考虑P/G、 Clock、Bus Interconnect的可布性。布图规划中的模块为软 模块。 布局的任务是要确定模块在芯片上的精确位 置,其目标是在满足时延要求的前提下,尽量 减小布线拥挤度、连线总长、芯片面积等 2021/2/21 6
2021/2/21 6 二、布图规划和布局 • 布图规划是根据模块包含的器件数估计其面 积，再根据该模块和其它模块的连接关系以及 上一层模块或芯片的形状估计该模块的形状和 相对位置。其优化目标是：电路性能，包括时 延，噪声、串扰等，同时考虑P/G、Clock、Bus、 Interconnect的可布性。布图规划中的模块为软 模块。 • 布局的任务是要确定模块在芯片上的精确位 置，其目标是在满足时延要求的前提下，尽量 减小布线拥挤度、连线总长、芯片面积等
三、布线 布线阶段的首要目标是完成模块间的互连及连 线满足时延要求。其次是在完成布线的前提下 进一步优化布线结果,如连线总长最短、通孔 数最少等 特殊线网布线:电源地线P/G、时钟 Clock 总线Bus 信号线的总体布线:在总体布线图(GRG)上 给出线网的拓扑走线路径。 信号线的详细布线:在详细布线网格上给出线 网的确切走线位置。 2021/2/21
2021/2/21 7 三、布线 布线阶段的首要目标是完成模块间的互连及连 线满足时延要求。其次是在完成布线的前提下 进一步优化布线结果，如连线总长最短、通孔 数最少等。 • 特殊线网布线： 电源/地线P/G、时钟Clock、 总线Bus。 • 信号线的总体布线：在总体布线图（GRG）上 给出线网的拓扑走线路径。 • 信号线的详细布线：在详细布线网格上给出线 网的确切走线位置
四、压缩 压缩是布线完成后的优化处理过程,它试图进 步减小芯片的面积。目前常用的有一维和 二维压缩,较为成熟的是一维压缩技术。在 压缩过程中必须保证单元相对位置不变、线 网连接性不变、版图几何图形间不违反设计 规则。 布图过程往往是一个反复迭代求解过程。必 须注意布图中各个步骤算法间目标函数的 致性,前阶段要尽可能考虑到对后续阶段的 响 2021/2/21
2021/2/21 8 四、压缩 压缩是布线完成后的优化处理过程，它试图进 一步减小芯片的面积。目前常用的有一维和 二维压缩，较为成熟的是一维压缩技术。在 压缩过程中必须保证单元相对位置不变、线 网连接性不变、版图几何图形间不违反设计 规则。 布图过程往往是一个反复迭代求解过程。必 须注意布图中各个步骤算法间目标函数的一 致性，前阶段要尽可能考虑到对后续阶段的 影响
逻辑综合 物 划 分 设 布图规划和布局 计 总体布线 详细布线 设计验证 2021/2/21
2021/2/21 9 物 理 设 计 逻辑综合 划 分 布图规划和布局 总体布线 详细布线 设计验证
第三节版图自动设计中的基本问题 VLSI版图是一组有规则的由若干层平 面几何图形元素组成的集合。通常,这些 图形元素只限于曼哈顿图形,即只由垂直 边和水平边构成的图形,且在同一层内不 允许重叠。 、图的定义及数据结构 图的应用:完全图和子图、通路和回路、 连接图和树、有向图、二分图、平面图。 2021/2/21
2021/2/21 10 第三节 版图自动设计中的基本问题 VLSI版图是一组有规则的由若干层平 面几何图形元素组成的集合。通常，这些 图形元素只限于曼哈顿图形，即只由垂直 边和水平边构成的图形，且在同一层内不 允许重叠。 一、图的定义及数据结构 • 图的应用：完全图和子图、通路和回路、 连接图和树、有向图、二分图、平面图