第四讲 ASIC的版图设计方法

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标准单元版图布局
PAD
Channel
等高 不等宽
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Cell
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标准单元法的特点
• 布线通道
– 当两排元件之间的连线较少时, 布线通道就窄些, 以减少 面积浪费; – 当两排元件之间的连线较多时, 布线通道就宽些, 以保证 布通率
硕士生陈磊、蔡友（2005.9-2007.7）
1P6M
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40nm高铁系统无线应答器ASIC*
博士生刘晓鹏（2009.9 ~2014.9）
•
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标准单元法中的单元库和库单元
• 标准单元法中一个很重要的工作是建 库, 繁复的建库工作需要大量人力和时间的投入 • 每一种逻辑功能需要相应的库单元与之对应 • 同一种逻辑的单元会因为驱动能力的不同而有不 同的型号和不同的版图面积 • 单元库中的每个（库）单元都有三种描述形式:
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EMC试验/寿命试验/高低温/
– 浪涌（雷电）（2KV, 4KV） – 快变脉冲群（振铃） – 空间辐照（辐射）（9K-80MHz，80M – 1GHz） – 静电ESD（接触式、非接触式，4KV, 8KV）
• 寿命实验（10万次以上） • 高低温实验（- 40°C – 85°C） • 噪声实验（25dB以下）
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标准单元法设计ASIC
• 采用标准单元设计IC时, 只需调用各单元的拓扑版 图即可
– 拓扑版图的简单外形大大压缩了数据的处理量 – 有助于设计者的直观检查
• 经过自动布局布线处理后, 再进行一次数据转换, 将拓扑版图转换成掩膜版图, 得到最终可供制版 的掩膜数据（GDS-II） • 所有的库单元在入库时都必须进行严格的设计规 则检查和电连接性检查, 确保万无一失的正确性和 可靠性。
– 全定制设计法(模拟IC) – 标准单元设计法(数字IC)
• 现场可编程器件法(第七讲介绍)
– ROM、PROM、EPROM、EEPROM系列
版图的基本要素
– PAL、GAL系列
– CPLD、FPGA系列
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二、标准单元法（半定制设计方法） Semi-Custom Design Approach
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移位寄存器和锁存器的放大版图（1千倍）
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700V高压PWM芯片( 3um BCD)*
硕士生梁剑（1998.9-2001.3）
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18 bit 音频 ADC 版图（0.18um）
博士生马绍宇（2003.9-2008.9）
移位寄存器和锁存器
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整体版图
A
B C
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高压输出电路版图(A)
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高低压转换接口部分的版图(B)
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移位寄存器和锁存器版图(C)
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漏电保护器ASIC芯片(0.5um)*
硕士生付文（2006-2008）
数 字 电 路
模 拟 电 路 I/O PAD
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优化设计（2.2→0.72 mm2）
硕士生范镇淇（2008.9-2011.3）
1.8mm
0.9mm
模拟 电路
– 单元的逻辑符号(以L表征) – 单元的拓扑版图(以O表征) – 单元的掩膜版图(以A表征)
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逻辑“非门” （倒相器）的 逻辑符号、拓扑版图、掩膜版图
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库单元三种描述方式的意义
• 单元的逻辑符号用以建立逻辑图 • 单元的拓扑版图描述单元版图的外形尺寸、 输入/输出的位置 • 为使单元之间的连线都处于布线通道之内, 单元本身的PIN口必须处于单元的上下两排， 从上、下都可链接 • 单元的掩膜版图才是最终的有效制版信息 • 注意每种单元的三种描述之间名称要一一 对应
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标准单元法中“等高不等宽”原则
• 基本逻辑门单元的逻辑功能和驱动能力不 同, 其版图面积也不同 • 单元版图设计必须满足一个约束条件-“等高不等宽”原则
– 宽度可以不一致, – 但高度却必须完全相等 此原则是标准单元设计法得以实施的保证 – 既保证了器件（门单元）的多元化， – 又保证了走线通道的规则化
博士生曹天霖（2011-）
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空调马达驱动电路（500V SOI）
博士生张世峰（2009.9-2014.9）
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博世三相马达驱动电路(60V BCD)*
博士生陈雅雅（2013.3-）
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炼钢炉炉温控制ASIC(0.5um CMOS)*
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9、PAD压焊块（CP ） ZDLX-1H
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问题
• 少了哪几块版图？ • 为什么少了？
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PDK中的PCELL
PMOS PNP NMOS
电阻 电感 电容
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64路PDP显示扫描高压驱动芯片*
博士生洪慧（2002.9-2007.9）
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PDP数字电视显示器驱动芯片
整体电路图
高压输出
高低压转换 移位锁存
3 3
3
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高压输出电路部分
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高低压转换接口电路
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1、N 阱（TB） ZDLX-1H
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2、有源区（TO）ZDLX-1H
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3、多晶硅栅（GT） ZDLX-1H
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4、P+源漏区（SP） ZDLX-1H
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18 bit 音频 DAC 版图（0.18um）
博士生黄小伟（2003.9-2009.3）
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锂离子电池保护器(0.6um CMOS)*
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光电图像传感器(0.6um CMOS)*
硕士生周鑫（2001.9-2004.3）
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65nm 2.4GHz、6GHz 小数分频 PLL
硕士生梁筱、杨伟伟（2009.9-2012.3）
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40nm 60GHz PLL
博士生周骞（2012.9）
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100K-200 KHz 带通 ADC
• 标准单元法也叫库单元法，用在数字IC设计中。 • 先将IC设计中可能会遇到的所有基本逻辑门单元(含 I/O单元)的版图用全定制的方法设计好后存入库中
– 按照最佳设计原则（速度、面积）
– 遵照一定的外形尺寸约束（等高不等宽）
• 实际设计ASIC时
– 从单元库中调出所要的单元版图
– 按照一定的拼接规则拼接 – 留出平行且宽度可调的布线通道（水平与垂直走线分层）
• 逻辑门单元
– 同一种功能的逻辑门，可有不同的版图宽度，用户可根 据对驱动能力的不同需求调用不同宽度的单元。
• I/O压焊块
– 四周I/O压焊块的个数可根据实际需要安置（排布1-4边）
– 面积或受CORE限制，或受I/O个数限制
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带内波纹抽取/插值滤波器(0.18um)
– 设计成本高（人工慢、贵、上市时间长） – 制造成本低（面积小，更多的产出） – 性能好（连线短，延时小）
2018/9/22
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全定制版图适应对象
• 产量浩大的通用集成电路
– 从成本与性能考虑
• 模拟集成电路（含高压及功率集成电路）
– 器件多样、电路形式无规则（相对于数字电路而言）
2018/9/22
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一、全定制版图设计方法 Full-Custom Design Approach
以人工设计为主 计算机作为绘图与检查工具起辅助作用
– 元器件, 要最佳尺寸（性能、驱动力、面积） – 拓扑结构, 要有最合理的布局（面积） – 连线, 要寻找到最短路径（延时）
全定制设计IC的特点
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2018/9/22