VLSI 半定制设计方法 与 全定制设计方法【VLSI】_全定制电路设计

  全定制设计是一种通过指定每个晶体管的布局以及它们之间的互连来设计集成电路的方法。

  标准单元（standard cell 设计方法）、门阵列（gate array设计方法）和门海样式（The Sea-of-Gates Design Approach）被硅供应商称为半定制方法，因为电路设计仅涉及一些掩模层或使用供应商提供的单元库。后两种方法基于预制晶圆，可以通过使用一些互连层来实现个性化。在其他布局样式中，所有掩模层均由设计人员指定，因此这些样式被芯片供应商称为完全自定义样式。这些术语有些混乱，从系统设计者的角度来看是无关紧要的，因此不推荐使用。更有用的分类是根据对构建块施加的标准化约束来划分布局样式。

VLSI 半定制设计方法

1. standard cell 设计方法

在**标准单元格（standard cell）**方法中，存储在库中的单元格用于生成布局。每个单元由一个逻辑函数定义，并呈现与功耗和定时相关的特定特征。‘

Standard Cell library

在标准单元方法中，设计人员通过使用存储在通常由硅供应商提供的单元库中的单元来构建系统。大多数单元库只包含简单的门和触发器。这些单元格被实现为固定高度、可变宽度的全定制单元格。这些库的关键方面是它们具有固定的高度，这使它们能够按行放置，从而简化了自动化数字布局的过程。这些单元格通常是经过优化的全定制布局，可最大限度地减少延迟和面积。
A standard cell library is a collection of low-level electronic logic functions such as AND, OR, INVERT, flip-flops, latches, and buffers. These cells are realized as fixed-height, variable-width full-custom cells.

1. 典型的标准单元库包含两个主要组件：

• 库数据库 - 由许多视图组成，通常包括布局、原理图、符号、摘要和其他逻辑或模拟视图。由此，可以以多种格式捕获各种信息，包括 Cadence LEF 格式和 Synopsys Milkyway 格式，其中包含有关单元布局的简化信息，足以用于自动化“布局布线”工具。
• 时序摘要 - 通常采用Liberty 格式，为每个单元提供功能定义、时序、功率和噪声信息。

2. 标准单元库还可能包含以下附加组件：[3]

• 单元格的完整布局
• 细胞的SPICE 模型
• Verilog模型或VHDL-VITAL模型
• 寄生提取模型
• DRC规则组

设计方法与步骤

基于标准单元格方法的布局生成基本上分为两个步骤。首先，执行放置，其中每个单元格的位置在布局表面中找到。一旦放置完成，就可以执行单元的路由。放置步骤的主要目标是减少拥塞，以保证电路的完整路由。

实现逻辑电路的单元被放置在行中，并且在行之间提供布线区域，也称为布线通道。注意走线通道的高度，也就是通常所说的通道宽度，可以根据需要选择。单元格的高度是固定的，而单元格长度因单元格而异。

特点

标准单元设计方法的特点是：

• 单元格被放置在行中。单元之间的布线是在布线通道中的行之间完成的。通道宽度可根据需要进行调整。旋转芯片的很大一部分被路由通道 [ 12 ] 占据。
• 设计主要涉及原理图或网表输入，然后是逻辑验证-确认。布局和布线包括简单的仿真、扇出和线长检查，这些都是通过专用工具完成的。通常，供应商会进行详细的时序分析并检查布局是否违反设计规则。
• 器件密度和开关速度高于门阵列，因为单元经过内部优化并且需要较少的布线。对于双金属、0.8 微米 CMOS 工艺，标准单元方法有可能实现每毫米2 5000 到 8000 个晶体管的器件密度。
• 制造成本高于门阵列方法，因为所有掩模层都是特定于电路的。
• 更改供应商或 VLSI 流程很简单。通常，只需要通过仿真检查电路的时序。
• 可以合并自定义单元（例如，RAM 和 ROM）以及模拟单元。可以选择适当的 I/O 驱动程序。I/O 驱动器通常耗散了很大一部分功率。
• 单元库完全依赖于特定的 VLSI 工艺。

2. 门阵列(gate array)设计方法

除最后几个掩模层外，所有掩模层都由硅供应商预先定义，并且设计人员会看到一个门（晶体管）阵列。晶体管、触点和布线区域的放置由供应商预先定义。门阵列(gate array)设计方法利用在布局中插入的金属层从而定义逻辑函数。

设计人员完成逻辑设计（如表达式）后，通过插入金属层将单元中的元件适当地连接起来形成逻辑门，然后将逻辑门适当地连接起来，从而实现逻辑网络。这样，就得到了整个芯片的版图。在这种情况下，基本上跳过了全定制设计方法中所需的电子电路设计和布局。

门阵列的定制通常使用两层金属或一层金属和一层多晶硅层来完成。通常，一层主要用于垂直走线，另一层用于水平走线。如果有第三或第四层金属可用，通常会保留用于配电。
典型的门阵列由包含未连接的晶体管对的块构成，尽管任何简单的组件都可以。这些块的阵列与 I/O 焊盘结合形成一个完整的集成电路

gate array

门阵列是预先以矩阵形式布置在芯片上的逻辑门，逻辑门中未连接的元件，也就是所谓的单元（这些单元应该区别于后面介绍的单元库中的单元），是预置的diffusion扩散，而不是一个逻辑门的硬件。

以CMOS门阵列的单元为例，如图21所示，左右各放置一对pMOSFET和一对nMOSFET，它们之间没有连接。

特点

门阵列设计方法的特点是：

• 晶体管的布局图案是固定的。只需要放置单元、将晶体管定制到单元中以及布线。
• 设计主要涉及原理图或网表输入，然后是逻辑验证-确认。单元格的放置（位置和旋转）和布线，包括简单的模拟、扇出和线长检查均由专用工具完成。通常，供应商会进行详细的时序分析并检查布局是否违反设计规则。
• 器件密度和开关速度低于标准单元设计，但这通常可以通过更先进的工艺和更小的几何尺寸来弥补。
• 与标准单元设计相比，周转时间更短，处理成本也低得多。
• 更改供应商或VLSI流程很简单。通常，只需通过仿真检查时序。
  

门阵列生成是另一种形式的硅编译，因为可以在不考虑布局环境的情况下生产完整的芯片。高级语言根据逻辑功能指定电路，计算机将其翻译成门阵列连接。此外，可以快速制造门阵列，因为块和焊盘位于与互连不同的层上。这导致生成的制造掩模要少得多：每个新的门阵列只需要一个或两个互连掩模。这些互连层通常也是制造过程中最后处理的层，因此它们可以放置在预先准备好的接近完成的晶圆之上。门阵列的另一个优点是它们可以利用生产高速零件的特殊制造工艺。

门阵列的缺点是它们对于任何任务都不是最佳的。有些块永远不会被使用，有些块供不应求。由于块放置是提前完成的，因此互连布线可能会变得复杂，并且由此产生的长线会减慢电路速度。此外，设计不会很紧凑，因为块间间距是固定的，以允许最坏情况下的布线需求。一种估计是门阵列的效率比自定义布局低三到六倍 [Heller]。

与FPGA的区别

As opposed to traditional gate arrays, it is the state of programmable links rather than fabrication masks that decide on logic functions and signal routing.

PLA

A programmable logic array (PLA) is a kind of programmable logic device used to implement combinational logic circuits. PLA 生成器是一种有用的工具，它构成了许多硅编译器的重要组成部分。给定 PLA 的高级代数或真值表描述，它生成可以直接制造的掩码级描述。

组合电路元件是任何数字设计的重要组成部分。实现组合块的三种常见方法是 随机逻辑、只读存储器( ROM ) 和可编程逻辑阵列( PLA )). 在随机逻辑设计中，电路的逻辑描述直接转化为硬件结构，例如与门和或门。这种方法的难点在于布局和互连成本高。在大型系统中，此成本可能会令人望而却步。ROM 对于规律性很小的表格数据很有用，但是对于可以通过算法导出的数据来说，它非常浪费空间。PLA 结合了其他两种方法的特点，允许设计人员通过对逻辑阵列进行编程来实现组合设计。

3. 门海设计方法(sea-of-gates styles)

门海设计方法是门阵列主题的变体。专用于布线的区域已被移除，并且栅极图案已变得更加统一。因此，器件密度远高于普通门阵列。布线是在未使用的设备上完成的，并且在需要时会创建与活动设备的联系。由于器件密度高且易于布线，因此获得了接近全定制设计的性能。图 12.8说明了实现三输入与非门的单元的基本思想。第二层金属用于定制阵列。门阵列和门海阵列的一个缺点是所有设备都具有相同的W / L比率。某些 CMOS 逻辑电路样式（例如，动态逻辑、传输门触发器、ROM 和 RAM）需要不同尺寸的晶体管。

全定制：无约束设计方法（Full-custom design / The Unconstrained Design Approach）

全定制设计是一种通过指定每个晶体管的布局以及它们之间的互连来设计集成电路的方法。全定制设计的替代方案包括各种形式的半定制设计，例如小型晶体管子电路的重复；[1]一种这样的方法是使用标准单元库（标准单元库本身是使用全定制设计技术设计的）。

全定制设计有可能最大限度地提高芯片的性能，并最大限度地减少其面积，但实施起来非常耗费人力。全定制设计仅限于大批量制造的 IC，特别是某些微处理器和少量ASIC。

截至 2008 年，影响 ASIC 设计和生产的主要因素是掩模组（掩模组的数量取决于 IC 层数）和必要的EDA设计工具的高成本。需要掩模组才能将 ASIC 设计转移到晶圆上。

这是最强大和灵活的设计方法。设计人员可以完全自由地指定所有设计参数、晶体管尺寸、布局、布线等。这种自由可以最大限度地控制器件和整个芯片的面积、速度、功耗等。然而，由于灵活性大，设计工作变得非常大且成本高，而且缺乏标准化使得许多设计工具无法使用。因此，实践中的无约束设计方法仅用于主要关注性能的关键电路，例如 RAM 和 ROM 单元。

特点

无约束设计方法的特点是：

• 布局很详细，可以优化电路的各个方面，但在设计时间方面代价高昂。设计不仅涉及原理图或网表输入，还涉及详细布局、设计规则检查、逻辑和电气仿真。
• 潜在的器件密度和开关频率非常高。
• 周转时间和成本与标准和无约束电池设计相同。
• 更改供应商或 VLSI 流程可能非常困难。通常，基本单元需要完全重新设计。
• 数字和模拟电路可以混合使用。可以使用数字电路的标准工艺来实现中型到相对大型的存储器。

Reference

Computer Aids for VLSI Design Steven M. Rubin - Chapter 4: Synthesis Tools

rounting

DSP Integrated CircuitsAcademic Press Series in Engineering-12 - Integrated Circuit Design
Wiki - Standard_cell