Автоматизированное проектирование СБИС на базовых матричных кристаллах

Государственный комитет по высшей школе.

Московский Государственный Институт Электроники и Математики

(Технический Университет)

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СБИС

НА БАЗОВЫХ МАТРИЧНЫХ КРИСТАЛЛАХ

Кафедра: МЭТ

Руководитель: Фонарев

Исполнитель: Ференец

Дмитрий Александрович

Группа: АП-41

Москва, 1995 г.

Предварительные сведения.

В данном реферате рассматриваются технологии, связанные с

особенностями проектирования СБИС на базовых матричных кристаллах.

Рассказывается о самом понятии базового матричного кристалла. Ана-

лизируются основные этапы автоматизированного процесса пректирова-

ния.

ПОТРЕБНОСТЬ ЭФФЕКТИВНОГО ПРЕКТИРОВАНИЯ СБИС.

СТАНДАРТНЫЕ И ПОЛУЗАКАЗНЫЕ ИС.

БАЗОВЫЕ КРИСТАЛЛЫ И ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.

Характерной тенденцией развития элементной базы современной

электронно-вычислительной аппаратуры является быстрый рост степени

интеграции. В этих условиях актуальной становится проблема ускоре-

ния темпов разработки узлов аппаратуры, представляющих собой БИС и

СБИС. При решении данной проблемы важно учитывать существование

двух различных классов интегральных схем: стандартных (или крупно-

серийных) и заказных. К первым относятся схемы, объем производства

которых достигает миллионов штук в год. Поэтому относительно

большие затраты на их проектирование и конструирование оправдыва-

ются. Этот класс схем включает микропроцессоры, различного вида

полупроводниковые устройства памяти (ПЗУ, ОЗУ и т.д.), серии стан-

дартных микросхем и др. Схемы, принадлежащие ко второму классу,

при объеме производства до нескольких десятков тысяч в год, выпус-

каются для удовлетворения нужд отдельных отраслей промышленности.

Значительная часть стоимости таких схем определяется затратами на

их проектирование.

Основным средством снижения стоимости проектирования и, глав-

ное, ускорения темпов разработки новых видов микроэлектронной ап-

паратуры являются системы автоматизированного проектирования

(САПР). В результате совместных действий конструкторов, направлен-

ных на уменьшение сроков и снижение стоимости проектирования БИС и

СБИС, появились так называемые полузаказные интегральные микросхе-

мы, в которых топология в значительной степени определяется унифи-

цированной конструкцией кристалла. Первые схемы, которые можно от-

нести к данному классу, появились в 60-х годах. Они изготавлива-

лись на унифицированном кристалле с фиксированным расположением

функциональных элементов. При этом проектирование заключалось в

назначении функциональных элементов схемы на места расположения

соответствующих функциональных элементов кристалла и проведении

соединений. Такой кристалл получил название базового, поскольку

все фотошаблоны (исключая слои коммутации) для его изготовления

являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы. Эти крис-

таллы, однако, нашли ограниченное применение из-за неэффективного

использования площади кристалла, вызванного фиксированным положе-

нием функциональных элементов на кристалле.

Для частичной унификации топологии интегральных микросхем

(ИС) использовалось также проектирование схем на основе набора ти-

повых ячеек. В данном случае унификация состояла в разработке то-

пологии набора функциональных (типовых ячеек, имеющих стандартизо-

ванные параметры (в частности, разные размеры по вертикали). Про-

цесс проектирования при этом заключался в размещении в виде гори-

зонтальных линеек типовых ячеек, соответствующих функциональным

элементам схемы, в размещении линеек на кристалле и реализации

связей, соединяющих элементы, в промежутках между линейками. Шири-

на таких промежутков, называемых каналами, определяется в процессе

трассировки. Отметим, что хотя в данном случае имеет место унифи-

кация топологии, кристалл не является базовым, поскольку вид всех

фотошаблонов определяется в ходе проектирования.

Современные полузаказные схемы реализуются на базовом матрич-

ном кристалле (БМК), содержащем не соединенные между собой прост-

ейшие элементы (например, транзисторы), а не функциональные эле-

менты как в рассмотренном выше базовом кристалле. Указанные эле-

менты располагаются на кристалле матричным способом (в узлах пря-

моугольной решетки). Поэтому такие схемы часто называют матричными

БИС. Как и в схемах на типовых ячейках топология набора логических

элементов разрабатывается заранее. Однако в данном случае тополо-

гия логическиго элемента создается на основе регулярно расположен-

ных простейших элементов. Поэтому в ходе проектирования логически-

мих элемент может быть размещен в любом месте кристалла, а для

создания всей схемы требуется изготовить только фотошаблоны слоев

коммутации. Основные достоинства БМК, заключающиеся в снижении

стоимости и времени проектирования, обусловлены: применением БМК

для проектирования и изготовления широкого класса БИС; уменьшением

числа детализированных решений в ходе проектирования БИС; упроще-

нием контроля и внесения изменений в топологию; возможностью эф-

фективного использования автоматизированных методов конструирова-

ния, которая обусловлена однородной структурой БМК.

Наряду с отмеченными достоинствами БИС на БМК не обладают

предельными для данного уровня технологии параметрами и, как пра-

вило, уступают как заказным, так и стандартным схемам. При этом

следует различать технологические параметры интегральных микросхем

и функциональных узлов (устройств), реализованных на этих микрос-

хемах. Хотя технологические параметры стандартных микросхем малой

и средней степени интеграции наиболее высоки, параметры устройств,

реализованных на их основе, оказываются относительно низкими.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ БМК

Базовый кристалл представляет собой прямоугольную многослой-

ную пластину фиксированных размеров, на которой выделяют перифе-

рийную и внутреннюю области (рис. 1). В периферийной области рас-

полагаются внешние контактные площадки (ВКП) для осуществления

внешнего подсоединения и периферийные ячеики для реализации буфер-

ных схем (рис. 2). Каждая внешняя ячейка связана с одной ВКП и

включает диодно-транзисторную структуру, позволяющую реализовать

различные буферные схемы за счет соответствующего соединения эле-

ментов этой структуры. В общем случае в периферийной области могут

находиться ячейки различных типов. Причем периферийные ячейки мо-

гут располагаться на БМК в различных ориентациях (полученных пово-

ротом на угол, кратный 90', и зеркальным отражением). Под базовой

ориентацией ячейки понимают положение ячейки, расположенной на

нижней стороне кристалла.

├──┐

┌──────────────┐ ├┐ │

│ Переферийная │ ├┘ │

│ ┌────────┐ │ ├──┤ ВО

│ │Внутрен.│ │ ├┐ │

│ │область │ │ ├┘ │

│ └────────┘ │ ├──┼─────┬─────┬─────┬───

│ область │ ПО├─┐│ ┌─┐ │ ┌─┐ │ ┌─┐ │

└──────────────┘ └─┴┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴────

ПЯ ВКП

рис. 1 рис 2.

Во внутренней области кристалла матричным способом располага-

ются макроячейки для реализации элементов проектируемых схем (рис.

3). Промежутки между макроячейками используются для электрических

соединений. При матричном расположении макроячеек область для

трассировки естественным образом разбивается на горизонтальные и

вертикальные каналы. В свою очередь в пределах макроячейки матрич-

ным способом располагаются внутренние ячейки для реализации логи-

ческих элементов. Различные способы расположения внутренних ячеек

и макроячейках показаны на рис. 4. Причем наряду с размещением

ячеек "встык" применяется размещение с зазорами, в которых могут

проводиться трассы электрических соединений.

│ ┌─────── ┌─┬─┐ ┌─┬─┬─┬─┬─┬

│ └──────── a)├─┼─┤ c)├─┼─┼─┼─┼─┼─

│ ┌─────────┐ ┌─── └─┴─┘ └─┴─┴─┴─┴─┴─┴

│ └─────────┘ └─── ┌─┬─┬─┬─┬─┬ ┌─┬┬─┬┬─┬┬─┬┬─┬┬

│ ┌─────────┐ ┌──── b)└─┴─┴─┴─┴─┴─ d)└─┴┴─┴┴─┴┴─┴┴─

│ └─────────┘ └────

└─────────────────── Примеры структур макроячеек.

Структура ВО

рис. 3 рис. 4

Особенностью ячейки является специальное расположение выво-

дов, согласованное со структурой макроячейки. А именно, ячейки

размещаются таким образом, чтобы выводы ячеек оказались на перифе-

рии макроячейки. Так, в одной из макроячеек выводы каждой ячейки

дублируются на верхней и нижней ее сторонах. При этом имеется воз-

можность подключения к любому выводу с двух сторон ячейки, что

создает благоприятные условия для трассировки. Последнее особенно

важно при проектировании СБИС.

В другой макроячейке выводы ячейки располагаются только на

одной стороне, т. е. выводы ячеек верхнего ряда находятся на

верхней стороне макроячейки, а нижнего -- на нижней. Применение

таких макроячеек позволяет сократить требуемую площадь кристалла,

но приводит к ухудшению условий для трассировки. Поэтому данный

тип макроячеек используется лишь при степени интеграции, не превы-

шаюшей 100 - 200 вентилей на кристалл. Отметим, что в некоторых

типах БМК, кроме однотипных макроячеек, во внутренней области мо-

гут присутствовать специализированные макроячейки, реализующие ти-

повые функциональные узлы (например, запоминающее устройство).

Помимо ячеек, являющихся заготовками для реализации элемен-

тов, на БМК могут присутствовать фиксированные части соединений. К

ним относятся шины питания, земли, синхронизации и заготовки для

реализации частей сигнальных соединений. Например, для макроячеек

(b) шины питания и земли проводятся вдоль верхней и нижней сторон

соответственно. Для макроячеек (a,d) шины проводятся вдоль линии,

разделяюшей верхний и нижний ряды ячеек, что приводит к уменьшению

потерь площади кристалла. Для реализации сигнальных соединений на

БМК получили распространение два вида заготовок: фиксированное

расположение однонаправленных (горизонтальных или вертикальных)

участков трасс в олном слое; фиксированное расположение участков

трасс в одном слое и контрактных окон, обеспечиваюших выход фикси-

рованных трасс во второй слой.

В первом случае для реализации коммутации проектируемой схемы

не требуется разработка фотошаблона фиксированного слоя, т. е.

число разрабатываемых фотошаблонов уменьшается на единицу. Во вто-

ром случае число разрабатываемых фотошаблонов уменьшается на два

(не требуется также фотошаблон контактных окон). Отметим, что в

настоящее время получили распространение различные виды формы и

расположения фиксированных трасс и контактных окон. Целесообраз-

ность использования того или иного вида определяется типом макроя-

чеек, степеныо интеграции кристалла и объемом производства.

При реализации соединений на БМК часто возникает необходи-

мость проведения трассы через область, занятую макроячейкой. Такую

трассу будем называть транзитной. Для обеспечения такой возможнос-

ти допускается: проведение соединения через область, занятую ячей-

кой, проведение через зазоры между ячейками. Первый способ может

применяться, если в ячейке не реализуется элемент, или реализация

элемента допускает использование фиксированных трасс и неподклю-

ченных выводов для проведения транзитной трассы.

Таким образом, в настоящее время разработано большое многооб-

разие типов БМК, которые имеют различные пераметры. При проектиро-

вании микросхем на БМК необходимо учитывать конструктивно-техноло-

гические характеристики кристалла. К ним относятся геометрические

параметры кристалла, форма и расположение макроячеек на кристалле

и ячеек внутри макроячеек, расположение шин и способ коммутации

сигнальных соединений.

Итак, следует отметить, что задача определения структуры БМК

является достаточно сложной, и в настоящее время она решается

конструктором преимущественно с использованием средств автоматиза-

ции.

РЕАЛИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА БМК

Выше было показано, что БМК представляет собой заготовку, на

которой определенным образом размещены электронные приборы (тран-

зисторы и др.). Следовательно, проектирование микросхемы можно бы-

ло бы вести и на приборном уровне. Однако этот способ не находит

распространения на практике по следующим причинам. Во-первых, воз-

никает задача большой размерности. Во-вторых, учитывая повторяе-

мость структуры частей кристалла и логической схемы, приходится

многократно решать однотипные задачи. Поэтому применение БМК пред-

полагает использование библиотеки типовых логических злелентов,

которая разрабатывается одновременно с конструкцией БМК. В этом

отношении проектирование матричных БИС подобно проектированию пе-

чатных плат на базе типовых серий микросхем.

Таким образом, при применении БМК проектируемая схема описы-

вается на уровне логических элементов, а каждый элемент содержится

в библиотеке. Эта библиотека формируется заранее. Она должна обла-

дать функциональной полнотой для реализации широкого спектра схем.

Традиционно подобные библиотеки содержат следующие элементы: И-НЕ,

ИЛИ-НЕ, триггер, входные, выходные усилители и др. Для реализации

элемента используется одна или несколько ячеек кристалла, т. е.

размеры элемента всегда кратны размерам ячейки. Топология элемента

разрабатывается на основе конструкции ячейки и представляет собой

совокупность трасс, которые совместно с имеющимися на кристалле

постоянными частями реализуют требуемую функцию. Именно описание

указанных соединений и хранится в библиотеке.

В зависимости от того, на каких ячейках реализуются элементы,

можно выделить внешние (согласующие усилители, буферные схемы и

др.) и внутренние, или просто логические элементы. Если внешние

элементы имеют форму прямоугольников независимо от типа кристалла,

то для логических элементов сушествует большое разнообразие форм,

которое определяется типом макроячеек. Так, для макроячейки, пока-

╔════════╗ ╔════════╗ ╔═══╤════╗ ╔════════╗

║ ║ ║ ║ ║███│ ║ ║████████║

╟────┐ ║ ╟────────╢ ║███└────╢ ║████████║

║████│ ║ ║████████║ ║████████║ ║████████║

╚════╧═══╝ ╚════════╝ ╚════════╝ ╚════════╝

рис. 5

занной на рис. 4(a), возможные формы элементов приведены на рис.