第二章标准单元设计技术

黄越（10月31改动）

第二章标准单元技术

章节预览

本章将要了解的内容有：

⏹为什么在数字电路版图设计中标准化是重要的？

⏹在模拟电路版图设计中标准化技术的优点

⏹为什么要把一些单元放在一起

⏹只有很少的金属层布线时应该了解的注意点

⏹有很多的金属层布线时应该了解的注意点

⏹为了布线如何插入布线通道

⏹什么时候布局粗的电源线

⏹高密度区域信号的输入与输出

⏹如何保证单元之间有合适的距离

⏹如何完全通过版图设计规则的检查

⏹如何节约设计时间

⏹如何保护门电路不被损坏

标准单元技术的设计思想

为使自动版图设计工具能够布局布线，需要制定规则。比如单元设计规则、布局规则、测试规则。

稍稍想象一下塑料拼装玩具，这些规格统一的玩具块都在相同一个地方有用于连接的连接头和连接空隙。用这些塑料方块可以拼成一个大方块。所有的塑料块都可以相互拼装。

因为这些塑料块都是标准的长、宽、高，并按标准格式将塑料块拼装好。不可能将任何非标准的块与这些标准的块拼在一起。

像这些标准塑料方块一样，用自动版图设计软件依据网格线和设计规则来设计单元库。标准单元库之间同样要求能够相互集成。为实现这个设想人们利用各种标准化的技术来构造这个特殊的单元库。

标准化技术同样也适用于模拟电路版图设计，即使是不使用自动版图设计软件的情况。由于这些标准化技术在数字电路版图设计中是强制执行的，所以本章的重点及举例主要使用数字电路版图设计。

标准网格

通过将器件布局在标准网格上，标准化的版图系统可以自动布线并能够保证标准单元所有可行的布局。这些网格就像一个个标准平面正方形塑料块拼装在一起。这是我们首先讨论的问题。

讨论过网格后，再来讨论一下布局在这些网格之上的标准单元。如果我们利用网格布局并使用设计规则统一的（设计）单元，就可以使用自动工具来进行布局布线。不考虑软件的决定性的因素的情况下，我们的电路就会正确的设计出来。

基于网格的系统

典型的布线软件是基于网格的。基于网格的布线器有两个限制。固定线宽以及只能将器件对称的布在网格线上。不能在基于网格的系统中随心所欲的进行设计，必须符合网格布线规则。

决定网格大小的因素??

假设第一金属层最小线宽为1微米，换句话就是最小线间距为1微米的工艺下。每根线的宽度为1微米，两根线的间距为1微米，因此两根平行线的最小距离为3微米。

图2-1 网格大小举例，最小线宽为1微米，最小线间距为1微米。因此，两根线占了3微米的宽度，在这种工艺中，已经建立了线中心到线中心间距为2微米的网格。

在图2-1示例中，可以看到两根线的线中心距离是半根顶部金属线的线宽，加上两根线的线间距，再加上半根底部金属线的线宽，总共是2微米。两个金属线的线中心距离是2微米，所以要使用基于2微米的网格。

先确定在所使用的工艺中的最小线宽和最小线间距，才能确定将使用多大的网格。最小线宽越宽，线间距越大，所使用的网格就越大。

在本例中，使用2微米的网格可以保证在这个工艺中按工艺要求布线总是正确的。

设计尺寸决定网格的大小

在这个工艺中我们可以在第二金属层，甚至更多层金属层上布线。

首先先定义基片上布满X（水平方向）和Y（垂直方向）的网格线。基于网格的布线器只能将线布在网格线上，从一个网格交叉点到另一个网格交叉点。

图2-2 自动布线器只能在X轴和Y轴的的网格线上布线

尽管布线受到网格线的限制，但它使自动布线软件可以尽可能自动布线，基于网格的布线器布线时完全依赖这些网格。

基于网格的布线器可以在不同层使用不同大小的网格布线吗？

也许你会在不同层使用不同大小的网格，但当试图连接不同层的布线时，布置用于连接在不同层的水平和和垂直线的通孔时变得很棘手。

试着在一种网格的上面再画上稍微大一点的另一种网格，就会发现两层的网格交点几乎没有一个是重叠在一起的。所以，使用不同大小网格的布线的金属层几乎是不可能连通的。

做过试验后，我们了解了什么才是基于规则的布线器应该做的（见下一节）

基于规则的布线器

现代工艺中，同一工艺使用不同网格尺寸，因为不同层的金属线的最小宽度和最小线间距不同。若强制所有层上的网格使用同一种尺寸的话，人们将不得不使用芯片所有层上最大的需求尺寸。例如，如果在某一层可以使用1微米的间距，为何还要强制在该层使用2微米的间距呢？接下来看看如何解决这个问题。

基于规则的布线器是基于网格的布线器的升级版本。每一层布线是用实际的设计尺寸来替代固定尺寸。

因为简单、容易使用，绝大多数人使用基于网格的布线器。我们不必将每一层的网格尺寸整合起来。在老版本基于网格的布线器中，只需告诉网格在哪儿布线器就会把线布在网格线上，布线工作变得非常容易，布线软件也容易编写。

然而，使用基于规则的布线器可以获得更加紧凑的线路。每一金属层的线宽度和线间距可以不同，一些层上的线路可以进一步压缩，可以有更小的网格尺寸，节约版图空间。每层按方向的布线技术

计算机可以在第一金属层随意的布线。然而，如果把芯片所有的部分都布在第一金属层的话，将会画地为牢无法布通。

就像你与你的朋友在玩铅笔和纸的游戏，将对方陷入一个网状的陷阱中。在电影“TRON”中有一个关于两个摩托车手玩的游戏。两位骑手比赛开摩托车试图用车印将对方圈住。够快、够酷的电影。

假设要在同一层布成百上千的器件，如果随意布线的话，发现很快就会阻塞其它器件的布线路径。

为了能够使所有很多器件的版图能够布线布通，必须在某些地方使用第二金属层，以解决在第一层形成陷井的地方的布线问题。

人们使用两个金属层的通道“通孔”将多层板的线路连接起来。使用基于网格的系统，连接第一和第二层金属层的通孔只能在线路通过的网格线上。

使用何种工艺决定人们使用多大的网格。这里仍然使用2微米的网格来举例。像上面提及的，在第一金属层布线时只能精确地沿着网格线来布线，在第二金属层布线时同样也要使用同样的方法。

如果在两层金属层中都使用网格来布线，并对布线不加以约束，随意布线的话，第一和第二金属层很快就不能继续布线了。

图2-3 你曾经和你的朋友玩过像这样的陷阱游戏吗？即使有两层，你很容易便发现很快你就不能再布线了。