ICLayout4_07standardcelltechnique.pptx
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Chapter4Chapter4标准单元技术标准单元技术标准单元技术标准单元技术StandardCellTechniquesStandardCellTechniques10February202410February202410February2024111StandardCellTechniquesStandardCellTechniquesStandardCellTechniques4.1引言引言Introduction4.2标准单元库标准单元库StandardCellLibrary4.3标准单元标准单元StandardCell4.4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DesignRulesforCell-Basedapproach4.5标准输入和输出单元标准输入和输出单元StandardInputandOutputCells10February20242StandardCellTechniques4.1引言引言3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10February20243StandardCellTechniquesSeparateteamstodesignandverifyPhysicaldesignis(semi-)automatedLoopstogetdeviceoperatingfrequencycorrectcanbetroubling半定制半定制ASIC设计流程设计流程410February20244StandardCellTechniques逻辑综合逻辑综合LogicSynthesisChangescloudofcombinationalfunctionalityintostandardcells(gates)fromfab-specificlibrary;Choosesstandardcellflip-flop/latchesfortimingstatementsAttemptstominimizedelayandareaofresultinglogic510February20245StandardCellTechniques半定制半定制ASIC设计流程的主要特征流程的主要特征10February20246“综合综合Synthesis”and“自动布局布线自动布局布线Place-and-Route”StandardCellTechniques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LibraryofCells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。
标准准单元元设计技技术10February20247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。
StandardCellTechniques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。
10February20248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;StandardCellTechniques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Behaviorallevel、Structurallevel和和Physicallevel的多种描述。
的多种描述。
标准准单元元设计技技术的的优点点10February20249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。
StandardCellTechniques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。
10February202410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;StandardCellTechniques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。
3.2标准单元库标准单元库11什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10February202411StandardCellTechniques什么是什么是标准准单元元库12标准单元库标准单元库(StandardCellLibraries)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。
10February202412StandardCellTechniques为什么要开发标准单元库为什么要开发标准单元库10February202413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;StandardCellTechniques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。
标准单元库的特点标准单元库的特点(1/5)10February202414一个一个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。
StandardCellTechniques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。
标准单元库的特点标准单元库的特点(2/5)10February202415StandardCellTechniques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。
标准单元库的特点标准单元库的特点(3/5)10February202416StandardCellTechniques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。
标准单元库的特点标准单元库的特点(4/5)10February202417StandardCellTechniques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。
标准单元库的特点标准单元库的特点(5/5)10February202418StandardCellTechniques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(logicview),时序属性,时序属性(timingview),物理属性,物理属性(physicalview),功率属性,功率属性(powerview),和电学属性,和电学属性(electricalview)。
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。
版图库版图库10February202419P&R工具生成工具生成层次化的版图层次化的版图;StandardCellTechniques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;工具对版图的要求工具对版图的要求10February202420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、tristatebuffer(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;StandardCellTechniques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);标准准单元元库的主要内容的主要内容10February202421SSIlogic:
e.g.nand,nor,xor,inverters,buffers,latchs,registers;StandardCellTechniquesMemories:
e.g.RAM,ROM;Systemlevelblocks:
e.g.multipliers,microcontrollers;Datapath:
e.g.ALUs,adders,register,shifters;MSIlogic:
e.g.decoders,encoders,adders,comparators;开发单元库的基本步骤开发单元库的基本步骤10February202422StandardCellTechniques10February202423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。
StandardCellTechniques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。
10February202424StandardCellTechniques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。
10February202425StandardCellTechniques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。
3.3标准单元标准单元26什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10February202426StandardCellTechniques什么是标准单元什么是标准单元10February202427StandardCellTechniques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。
标准单元的分类标准单元的分类10February202428StandardCellTechniques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。
硬件模硬件模块的抽象描述的抽象描述(1/3)(1/3)10February202429StandardCellTechniques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。
硬件模硬件模块的抽象描述的抽象描述(2/3)(2/3)10February202430StandardCellTechniques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。
标准单元的基本属性标准单元的基本属性(1/3)10February202431单元的单元的物理版图物理版图(physicalappearance)单元的单元的逻辑功能逻辑功能(logicfunctionality)单元的单元的时序特性时序特性(timingbehavior)单元的单元的电学特性电学特性(electricalcharacteristics)StandardCellTechniques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:
标准单元的基本属性标准单元的基本属性(2/3)10February202432StandardCellTechniques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(logicview),时序属性时序属性(timingview),物理物理/版图属性版图属性(physicalview),功率属性功率属性(powerview)和和电学属性电学属性(electricalview)。
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。
10February202433StandardCellTechniques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
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