标准单元技术培训课件
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不同工艺层上的金属线宽及其间距都有不同的最小宽 度，如果我们要使所有的网格都采用同样的尺寸，那 么我们只能统一地采用芯片上尺寸要求最大的那个工 艺层上的尺寸。
“rule-based router: uses the real design
rules for each layer, instead of using a fixed grid.”
开发标准单元库的原因：
对于全定制设计来说，独立模块的规模过于庞大和复杂，因此就 存在着加快电路和版图设计过程的需要。
缺乏具有手工实现复杂全定制模块设计能力的专业人员，而自动 化工具缓解了这个问题。
典型加工工艺的进步，包括布线金属层从1层金属增加到2层金属 或3层金属。对最佳结果的实现，这进一步增加了全定制版图设 计过程的复杂性。
Minimum wire is 1 micron, minimum spacing is 1 micron, therefore, our two wires use 3 microns, and we have established center-to-center grid spacing of 2 microns for this process.
离。
9
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
techfile - PHYSICAL RULES 最小交叠minOverlap:
交叠有两种形式： a. 一几何图形内边界到另一图形的内边界长度
（overlap） b. 一几何图形外边界到另一图形的内边界长度
（extension）
甚至在全定制设计流程中，当构建模块以预定义的标准来实现时， 规模在20个单元以上的布局布线会更加容易。而单元接口的标准 化在库中就可以实现了。
3
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
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”。
边沿
power rail
grid point butting edges
on-grid wire
24
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。
16
定向型工艺层技术
the difference between “via” and “contact”:
contact： connect the metals of different layers
via:
connect the terminal to metal
generally speaking, the default preferred routing
techfile - PHYSICAL RULES
≧minWidth
≧minSpacing
N WELL
N WELL
The width of “N WELL” must be greater than or equal to the “minWidth=1.2 microns”;
and the space of two “N WELLs” must be
23
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
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置上。
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置上。 butting edges对接
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
21
网格式布线系统要求的库设计规则
现在限制设计的规则就是晶体管与晶体管的间距，这要比 N阱的间距小得多 .
22
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。
为了保持结构的统一，所有的门都必须服从固定高度设置。 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。
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。
20
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。
28
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。
5
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
techfile - LAYER RULES
“POLY2” is connected to “MET1” with “CNT”; “MET1” is connected to “MET2” with
“VIA1”; ……
6
标准网格Βιβλιοθήκη Baidu- 网格式布线器 grid-based router
13
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
determining our minimum wire widths and minimum spacing between wires dictate how coarse or fine our grid will be.
最小金属线越宽，或金属线间必须相隔得越远，网格 也就越大;
对齐输入输出：
输入A和输出Z不能随意放置。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。
VDD P
A
Z
N VSS
19
网格式布线系统要求的库设计规则 高度固定，宽度可变：
techfile - PHYSICAL RULES
please remember these definitions:
width、space、area、enclosure、overlap、
extension
7
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
techfile - PHYSICAL RULES 最小宽度minWidth:封闭几何图形的内边之间的距
（注：此处的“小”指只有一两个网格的转向）
原因：
1. 如果用metal 2来安排这些小而短的转向， 就再也不能在他们之间提供另外的布线机会了；
2. 可能会造成很高的电阻； 3. via不易刻蚀。
unnecessary, other metal2s cant route here
18
网格式布线系统要求的库设计规则
“design rules determine grid size.”
the grid-based router can only place wires along our grid lines, from intersection to intersection.
14
标准网格 - 规则式布线器 rule-based router
4
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
“layer rules”和“physical rules”都在库文件 “techfile”中。
一般“techfile”中包含以下内容： CONTROLS：“maskGrid 0.01” LAYER DEFINITION LAYER RULES PHYSICAL RULES DEVICES LX RULES
大多数人采用grid-based router，因为它简单； 如果采用rule-based router，紧凑，节省版图空 间。
15
标准网格 - 规则式布线器 rule-based router
对每一层采用不同的网格尺寸，但这会使我们很难把所有 的接触孔和通孔都对齐并落在每一层垂直和水平网格线的 交点上。
butting edges
power rail
grid point
minimum distance half minimum distance
25
网格式布线系统要求的库设计规则 布线通道：routing channels
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。
greater than or equal to the minSpacing=0.6
microns”.
12
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
coarse grid example:
2 microns
1 microns
1 microns 1 microns
最小金属线越宽，或金属线间必须相隔得越远，网格也就越大
第五章 标准单元技术
标准单元技术 standard cell techniques 开发标准单元库的原因 标准网格 定向型工艺层技术 网格式布线系统要求的库设计规则 标准输入输出单元
2
开发标准单元库的原因
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。
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。
26
网格式布线系统要求的库设计规则
电源布线通道：问题: 由于单元中间布满了元件，我们 已没有地方来走额外的导线。如果只有很少的几层金 属，这会是一个大问题。
27
网格式布线系统要求的库设计规则
电源布线通道：在Metal 2中将各行末端的VDD相互连接就可 以了
29
网格式布线系统要求的库设计规则 布线通道：routing channels
10
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
techfile - PHYSICAL RULES
please keep these rules in your mind and don’t violate them when you layout.
11
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
direction:
metal 1 - horizontal metal 2 - vertical metal 3 - horizontal
benefit
routing simply reduce cross-talk
metal 4 - vertical
17
定向型工艺层技术
“小的转向不必改换金属层”
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。
经典的布线器是以基于网格的。
网格布线器要遵循的约束条件： 导线只能有几种固定的宽度； 导线只能放在预先确定了坐标的网格上。
离。
在利用DRC（设计规则检查）对版图进行几何规则检 查时，对于宽度低于规则中指定的最小宽度的几何图 形，工具将会给出错误的提示。
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标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
techfile - PHYSICAL RULES 最小间距minSpacing:各几何图形外边界之间的距
“rule-based router: uses the real design
rules for each layer, instead of using a fixed grid.”
开发标准单元库的原因：
对于全定制设计来说，独立模块的规模过于庞大和复杂，因此就 存在着加快电路和版图设计过程的需要。
缺乏具有手工实现复杂全定制模块设计能力的专业人员，而自动 化工具缓解了这个问题。
典型加工工艺的进步，包括布线金属层从1层金属增加到2层金属 或3层金属。对最佳结果的实现，这进一步增加了全定制版图设 计过程的复杂性。
Minimum wire is 1 micron, minimum spacing is 1 micron, therefore, our two wires use 3 microns, and we have established center-to-center grid spacing of 2 microns for this process.
离。
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标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
techfile - PHYSICAL RULES 最小交叠minOverlap:
交叠有两种形式： a. 一几何图形内边界到另一图形的内边界长度
（overlap） b. 一几何图形外边界到另一图形的内边界长度
（extension）
甚至在全定制设计流程中，当构建模块以预定义的标准来实现时， 规模在20个单元以上的布局布线会更加容易。而单元接口的标准 化在库中就可以实现了。
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标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
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”。
边沿
power rail
grid point butting edges
on-grid wire
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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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定向型工艺层技术
the difference between “via” and “contact”:
contact： connect the metals of different layers
via:
connect the terminal to metal
generally speaking, the default preferred routing
techfile - PHYSICAL RULES
≧minWidth
≧minSpacing
N WELL
N WELL
The width of “N WELL” must be greater than or equal to the “minWidth=1.2 microns”;
and the space of two “N WELLs” must be
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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
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置上。
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置上。 butting edges对接
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
21
网格式布线系统要求的库设计规则
现在限制设计的规则就是晶体管与晶体管的间距，这要比 N阱的间距小得多 .
22
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。
为了保持结构的统一，所有的门都必须服从固定高度设置。 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。
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。
20
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。
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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。
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标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
techfile - LAYER RULES
“POLY2” is connected to “MET1” with “CNT”; “MET1” is connected to “MET2” with
“VIA1”; ……
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标准网格Βιβλιοθήκη Baidu- 网格式布线器 grid-based router
13
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
determining our minimum wire widths and minimum spacing between wires dictate how coarse or fine our grid will be.
最小金属线越宽，或金属线间必须相隔得越远，网格 也就越大;
对齐输入输出：
输入A和输出Z不能随意放置。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。
VDD P
A
Z
N VSS
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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：
techfile - PHYSICAL RULES
please remember these definitions:
width、space、area、enclosure、overlap、
extension
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标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
techfile - PHYSICAL RULES 最小宽度minWidth:封闭几何图形的内边之间的距
（注：此处的“小”指只有一两个网格的转向）
原因：
1. 如果用metal 2来安排这些小而短的转向， 就再也不能在他们之间提供另外的布线机会了；
2. 可能会造成很高的电阻； 3. via不易刻蚀。
unnecessary, other metal2s cant route here
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网格式布线系统要求的库设计规则
“design rules determine grid size.”
the grid-based router can only place wires along our grid lines, from intersection to intersection.
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标准网格 - 规则式布线器 rule-based router
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标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
“layer rules”和“physical rules”都在库文件 “techfile”中。
一般“techfile”中包含以下内容： CONTROLS：“maskGrid 0.01” LAYER DEFINITION LAYER RULES PHYSICAL RULES DEVICES LX RULES
大多数人采用grid-based router，因为它简单； 如果采用rule-based router，紧凑，节省版图空 间。
15
标准网格 - 规则式布线器 rule-based router
对每一层采用不同的网格尺寸，但这会使我们很难把所有 的接触孔和通孔都对齐并落在每一层垂直和水平网格线的 交点上。
butting edges
power rail
grid point
minimum distance half minimum distance
25
网格式布线系统要求的库设计规则 布线通道：routing channels
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。
greater than or equal to the minSpacing=0.6
microns”.
12
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
coarse grid example:
2 microns
1 microns
1 microns 1 microns
最小金属线越宽，或金属线间必须相隔得越远，网格也就越大
第五章 标准单元技术
标准单元技术 standard cell techniques 开发标准单元库的原因 标准网格 定向型工艺层技术 网格式布线系统要求的库设计规则 标准输入输出单元
2
开发标准单元库的原因
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。
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。
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网格式布线系统要求的库设计规则
电源布线通道：问题: 由于单元中间布满了元件，我们 已没有地方来走额外的导线。如果只有很少的几层金 属，这会是一个大问题。
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网格式布线系统要求的库设计规则
电源布线通道：在Metal 2中将各行末端的VDD相互连接就可 以了
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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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标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
techfile - PHYSICAL RULES
please keep these rules in your mind and don’t violate them when you layout.
11
标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
direction:
metal 1 - horizontal metal 2 - vertical metal 3 - horizontal
benefit
routing simply reduce cross-talk
metal 4 - vertical
17
定向型工艺层技术
“小的转向不必改换金属层”
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。
经典的布线器是以基于网格的。
网格布线器要遵循的约束条件： 导线只能有几种固定的宽度； 导线只能放在预先确定了坐标的网格上。
离。
在利用DRC（设计规则检查）对版图进行几何规则检 查时，对于宽度低于规则中指定的最小宽度的几何图 形，工具将会给出错误的提示。
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标准网格 - 网格式布线器 grid-based router
techfile - PHYSICAL RULES 最小间距minSpacing:各几何图形外边界之间的距