新一代芯片專(zhuān)享的定制數字版圖設計

本文詳細說(shuō)明了一家消費類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)中大型無(wú)晶圓半導體公司的數字IC設計團隊如何活用標準化工具的互操作性，以維護大型、講求性能的40納米設計的手工版圖優(yōu)勢。該團隊已經(jīng)在多家供應商工具的協(xié)助下，通過(guò)Silicon Integration Initiative(Si2)的OpenAccess(OA)互操作性標準化成果有效展開(kāi)整合，從而形成了具有更大生產(chǎn)力的定制IC版圖流程。

大型數字集成電路(IC)設計的版圖通常都是使用高度自動(dòng)化的版圖與繞線(xiàn)(APR)工具而建立的。盡管使用APR取代定制版圖存在著(zhù)許多爭議，然而對大多數設計而言，APR的速度與掌握度等優(yōu)勢依然勝過(guò)面積或效能上的犧牲;但是，需要最高效能或最小面積的設計仍然依賴(lài)“手工”運用定制IC版圖方法來(lái)完成。

在新一代的定制芯片中，復雜的規則、緊迫的上市時(shí)程以及纖薄尺寸與設計復雜度，使整個(gè)定制數字區塊的設計越來(lái)越難以實(shí)現。全自動(dòng)化的APR流程無(wú)法提供必要的版圖與繞線(xiàn)的互動(dòng)掌控。設計人員需要高度自動(dòng)化而且可控制的全定制數字IC設計流程，獲致最佳的性能、速度與面積。

定制設計中可控制式自動(dòng)化的好處

在設計大量?jì)Υ娼鉀Q方案時(shí)，多年來(lái)設計團隊都是為自己的模擬與定制數字設計而部署定制IC版圖自動(dòng)化。雖然模擬設計人員一直都使用定制設計方法，但數字設計團隊通常只有性能、功耗、速度或面積要求超過(guò)APR工具的能力時(shí)，才會(huì )轉而使用定制設計工具與流程。

為了實(shí)現最佳性能與周轉時(shí)間，工程師們會(huì )使用采用先進(jìn)可控制式自動(dòng)化技術(shù)的工具，更快速且更事半功倍地建立定制數字設計。包括先進(jìn)的電路圖導向版圖(SDL)流程，這個(gè)流程運用具備高度可架構性、不依存于制程的參數式單元技術(shù)與器件層floorplan工具，提供實(shí)現最佳效能與密度所需的速度與控制，而不必改變設計風(fēng)格或犧牲成果質(zhì)量。

工程師們運用繼承自電路圖的聯(lián)機而自動(dòng)產(chǎn)生飛行線(xiàn)(flight lines)，然后使用內建的規則導向交互式繞線(xiàn)器，手工配置關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )的線(xiàn)路，以滿(mǎn)足超過(guò)2GHz的嚴苛頻率速度要求。在這種效能水平下，個(gè)別網(wǎng)絡(luò )的繞線(xiàn)對于環(huán)境以及與其他繞線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )甚至層別之間的互動(dòng)會(huì )很敏感。為了平衡這些元素，設計團隊必須與設計環(huán)境中所有元素互動(dòng)。手工繞線(xiàn)時(shí)，設計團隊可以安排路線(xiàn)、萃取與評估關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )以實(shí)現絕佳時(shí)序，然后加以修改，直到獲得所需值。

圖1. 飛行線(xiàn)顯示鏈接，并導引規則導向的手工繞線(xiàn)

迎接新一代定制數字設計的挑戰

盡管定制版圖與手工繞線(xiàn)作法能夠滿(mǎn)足效能需求，卻越來(lái)越難在合理期間內完成新一代定制數字區塊。

隨著(zhù)設計益趨龐大而且復雜，版圖設計人員遭遇嚴重的繞線(xiàn)問(wèn)題，并發(fā)現自己是在一片未知領(lǐng)域中設計繞線(xiàn)通路，必須放棄密度以便使越來(lái)越龐大的區塊中的手工與點(diǎn)對點(diǎn)自動(dòng)化繞線(xiàn)作業(yè)獲得妥善的管理。雖然設計團隊仍然能夠達成能效目標，卻常常要付出增加面積的代價(jià)，這在講究成本的市場(chǎng)上不能令人滿(mǎn)意。此外，完成設計所需的時(shí)間也遠遠超過(guò)單一版圖所需時(shí)間。

圖2. OpenAccess中的相互操作性

隨著(zhù)設計團隊轉移到40nm制程以滿(mǎn)足日增的效能需求，挑戰也水漲船高。對于手工繞線(xiàn)與既有的自動(dòng)化定制繞線(xiàn)解決方案而言，在這個(gè)制程中，模塊變得過(guò)于龐大(太多互連線(xiàn))，而且設計規則也太先進(jìn)。沒(méi)有任何大規模定制繞線(xiàn)器能夠提供先進(jìn)制程所需的深亞微米DRC-clean與DFM-aware繞線(xiàn)技術(shù)。

剛開(kāi)始的時(shí)候，設計團隊嘗試使用混合式流程，使用版圖編輯器像以前一樣以手工進(jìn)行關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )的繞線(xiàn)工作，然后運用APR支持先進(jìn)DRC規則的數字繞線(xiàn)器來(lái)完成非關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )。很不幸地，不斷地換用多種工具降低了生產(chǎn)力。無(wú)論個(gè)別步驟的效率有多高，定制與數字設計領(lǐng)域還是無(wú)法密切配合。此外，這個(gè)方法并非交互式的，會(huì )導致團隊損失層次與連接數據。自動(dòng)化繞線(xiàn)器多半會(huì )反復執行部分精心繪制的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )的繞線(xiàn)，需要廣泛的手工校對，甚至要繞線(xiàn)器重復作業(yè)。因此，設計團隊要花6個(gè)星期時(shí)間反復作業(yè)，才能夠獲得可接受，卻不是最佳的結果。

圖3. 繞線(xiàn)器辨識障礙然后繞線(xiàn)