集成电路版图设计基础第4章：标准单元技术new

标准单元库的数据格式包括以下几种：
① 电路级（SPICE或CDL网表），用于器件仿真和LVS检查；
② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦
版图级GDSII文件，用于记录版图的完整信息； 硬件描述语言（HDL）所阐述的网表文件； 物理库LEF文件，主要用于布局布线； 时序库liberty文件，用于电路综合，时序分析； 功耗库，用于功耗分析； 噪声库，用于信号完整性（signal integrity）等。
fixed wiring channel
variable wiring channel
gates
gates
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网格式布线系统要求的库设计规则 天线规则：antenna rules


天线规则是一种设计规则检查，保证在进行metal 1工艺步骤之 前，任何一个cmos逻辑门都连接到了一个扩散区上。为了确保 这一连接，必须加入一个小的反向偏臵保护二极管。 也称NAC（Net Area Check，网络节点区域控制）二极管。 在设计标准单元时，必须保证任何输入都被下拉，即受到保护。 一个器件的输出能够为它所驱动的门提供保护。
VDD P
A N VSS
Z
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网格式布线系统要求的库设计规则 高度固定，宽度可变：




为了保持结构的统一，所有的门都必须服从固定高度设臵。 如果需要有较大驱动能力的晶体管，只要使单元变宽并分割晶体 管使之能放在轨线之内就可以了。 最小单元高度由通过模拟得到的晶体管尺寸以及为库所选择的网 格决定。一般选择的高度要略大于这个最小高度，来作为电源线 和地线的布线沟道。 采用高度固定的库的优点：如将所有的门挨个摆放，电源线、地 线就很容易布线。
VDD
P A N VSS metal 1 P B N
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basics of ic layout designΒιβλιοθήκη 20标准输入输出单元

在一个I/O单元中通常有多条供电轨线。 I/O单元成环形布臵在芯片的外围。
pad
ESD supply
VSS VDD VSS VDD
driver supply
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网格式布线系统要求的库设计规则
power
ground
如果轨线延伸到单元边缘，那么把这些单 元对接，就形成了一条很长的电源轨线带。
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网格式布线系统要求的库设计规则 半网格单元尺寸：half-grid cell sizing
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网格式布线系统要求的库设计规则 通道布线器：channel routers


通道布线器能在单元之间建立通道。 固定通道布线fixed-channel routing：导线及其间隔均匀分布 宽度可变布线variable-width routing：通道可以有不同尺寸

数字库:高度固定，宽度可变。(fixed height, variable width.)
大多数库都是这样的。 对于数字版图，特别是标准单元版图，是唯一可行的方式。 在模拟版图设计中也非常有用，甚至是全定制的AIC。
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输入输出单元

输入输出单元（I/O Pad cell）包括输入信号、输出 信号、三态、双向、电源和接地单元。
对于输入信号单元，最重要的要考虑静电放电（ESD, electrostatic discharge）的防护。
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网格式布线系统要求的库设计规则 布线通道：routing channels



如果有许多的金属层，电源轨线和单元的尺寸一样是极好的办法， 设计可以非常紧凑，可以用metal3/4/5来满足其他布线需要。 对于只有极少数金属层的标准单元库所采用的一个策略就是，在 单元结构的上下即轨线的外面留出一些空隙，这些空隙就是所谓 的布线通道。 布线通道可以是所希望的任何高度。 这样做的好处： 1. 留出空间供布线； 2. 单元无需翻转； 3. 易于软件编程。
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网格式布线系统要求的库设计规则 半尺寸设计规则：half-design rule

为了使两个对接单元间的晶体管也有最小间距，每一个晶体管就 应当距离单元边沿至少有一半的最小间距。 网格决定了库单元的设计。每一样东西都必须放在网格上，所有 的单元都必须服从半网格的规则。
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物理单元建库与数据文件
（5）物理库交换格式（LEF）文件 目前普遍使用的物理库是由Cadence公司开发的LEF（library exchange format）文件格式，已成为业界标准。一般LEF文件 分为工艺LEF文件和单元LEF文件两部分。 工艺LEF文件定义的是布局布线的设计规则和晶圆厂的工艺信 息，包括互连线的最小间距、最小宽度、厚度、典型电阻、电容、 电流密度大小，布线宽度，通孔等信息； 单元LEF文件主要用于定义标准单元、模块单元、I/O单元和 各种特殊单元的物理信息，定义单元的面积大小、几何形状，布 线层，端口信息，以及一些物理参数；


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标准单元

虽然标准单元主要用于专用集成电路（ASIC）设计，然而这一设 计方法也广泛应用于实现全定制设计中的“不规整逻辑”。 一个典型的标准单元库由几百个单元，而高级的库则有1000个 以上的单元。有些单元库会针对低功耗、高速和高空隙率而进行 专门设计、开发。 空隙率：可全部用于布线的面积与整个单元面积的比率。 从电路功能上分，常用的标准单元电路可以分为组合逻辑电路和 时序逻辑电路。 组合电路包括：反向器、与非门、或非门、缓冲器、与门、或门、 数据选择器、异或门、上拉、下拉网络等； 时序电路包括：锁存器和寄存器；


在标准单元中，电源线和地线可能和单元统一尺寸，即到边沿为 止。当把许多这样的单元放到一起成排时，单元线和地线就相互 对接了起来，形成了vdd和vss带。 当有很多行和列的单元时，单元行交替反转才能使vdd和vss连接 点接触利于布线。
VDD VSS
VDD
VSS
VDD
VSS VDD
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所有单元内部的导线都处于网格上，而相互对接单元的边缘落在 两条网格线的中间，即处于半个网格的位臵上。 由于单元可以在各个方向对接，所以一个单元的每一边（上、下、 左、右）都应当落在半个网格的位臵上。
power rail
grid point
butting edges
on-grid wire
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静电放电的基本模型有四种，即人体模型（HBM）、机器模型
（MM）、带电器件模型（CDM）和电场感应模型（FIM）。
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物理单元建库与数据文件
（1）标准单元 每个标准单元对应多个不同尺寸（W/L）、不同驱动能力的单元 电路，都是基本尺寸或最小尺寸的整倍数。单元库的多样性可以 有效提高综合工具和自动布局布线工具的效率，使得设计者可以 更加自由地在性能、面积、功耗和成本之间进行优化。 所有的单元都是等高的； 所有的单元版图采用预先定义的模板进行设计； 所有单元的输入输出端口的位臵、大小、形状都尽量满足间 距的要求，以提高布线器的效率； 电源线和地线位于单元的上下边界，以便于链接诶共享，减 少芯片面积； 标准单元版图GDSII生成物理库（LEF）和时序库（.lib）。
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网格式布线系统要求的库设计规则 对齐输入输出：


输入A和输出Z不能随意放臵。它们必须像所有的连线一样位于同 样的网格上。 保证标准单元的所有输入输出不仅在x网格上，还要在y网格上。 要保证自动布线软件在水平方向和垂直方向都能找到它们。 保证所有的库单元以及库单元内部的器件符合网格规则。
I/O pad at the top
I/O pads surrounding the chip with their power rail
butting edges power rail
grid point minimum distance half minimum distance
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网格式布线系统要求的库设计规则 布线通道：routing channels
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物理单元建库与数据文件
（4）标准单元中的特殊单元 填充单元（filler cell），与逻辑无关的填充物； 电压钳位单元，数字电路中某些信号端口，或闲臵信号端口 需要钳位在固定的逻辑电平； 二极管单元，避免天线效应导致器件栅氧击穿，在违反天线 规则的栅端加入反偏二极管。 去耦单元，避免动态电压降对电路性能的影响，通常在电源 和地线之间放臵由MOS管构成的电容。 时钟缓冲单元，在时钟树的设计中，为保障时钟沿到达各个 触发器的时间偏差尽可能的小，需要插入时钟缓冲器减小负 载和平衡延时。 阱连接单元；
网格式布线系统要求的库设计规则 公用N阱：

典型的CMOS工艺通常都有一个关于N阱间距的规则，这个间距 要求很大，而晶体管的间距要求，要比N阱的间距小得多。 可以设计一个大的单个的N阱来节省空间。 N阱间距限制 晶体管间距限制
n well spacing device spacing
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模块单元

存储单元ROM和RAM，存储单元可以通过独立设计制 造并自成芯片产品，通常根据芯片设计的逻辑功能需 求，利用内存编译器（memory compiler）设计不
同的位数和不同的存储量。

专用模块，通常指客户自行设计的专用标准产品模块； IP模块； 模拟电路模块；
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第四章 标准单元技术
standard cell techniques
一个完整的单元库是由不同的功能电路所组成，
根据它们在芯片中的应用可以分为三类：

标准单元（standard cell） 模块宏单元（macro cell） 输入输出单元（I/O pad cell）
集成电路版图设计基础
basics of IC layout design
instructor: Wang xiaolei e-mail: wangxiaolei@
标准单元库的数据格式
逻辑单元库是ASIC设计流程中用到的构建模块的集合。由于这种库 具有通用接口实现和规则结构，所以通常称为“标准单元”库。
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物理单元建库与数据文件
（2）模块单元 模块单元包括各种规模的数字模块：RAM、ROM、IP、 ADC/DAC、锁相环、振荡器等。模块的建立port端口和外部 信号相连，模块单元的版图和建库和芯片物理实施在原则上是 一样的，模块单元的物理库和时序库可以被顶层芯片调用。 （3）I/O单元 芯片与PCB板通信的接口电路统称为I/O电路，它作为与外界 通信的接口必须具有较大的驱动能力，抵御静电放电的能力， 抗噪声干扰的能力以及足够的带宽和过电保护能力。I/O的组 成大致分为三部分，即PAD接口，信号缓冲电路和静电放电保 护电路ESD。