基于層次法實(shí)現(xiàn)EOS芯片的后端設(shè)計(jì)

1 引言

集成電路(Integrated Circuit, IC)是指在一半導(dǎo)體基板上，利用氧化、蝕刻、擴(kuò)散等方法，將眾多電子電路組成各式二極管、晶體管等電子組件，做在一個(gè)微小面積上，以完成某一特定邏輯功能，達(dá)成預(yù)先設(shè)定好的電路功能要求的電路系統(tǒng)。

IC設(shè)計(jì)是將系統(tǒng)、邏輯與性能的設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為具體的物理版圖的過(guò)程，也是一個(gè)把產(chǎn)品從抽象的過(guò)程一步步具體化、直至最終物理實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。

IC設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：(A)前端設(shè)計(jì) (B)后端設(shè)計(jì)。前段設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)人員根據(jù)系統(tǒng)所要求的功能與時(shí)序產(chǎn)生相應(yīng)的邏輯網(wǎng)表，后端設(shè)計(jì)是指根據(jù)網(wǎng)表產(chǎn)生相應(yīng)的版圖。

后端設(shè)計(jì)是整個(gè)集成電路(IC)設(shè)計(jì)過(guò)程中與產(chǎn)品研制和生產(chǎn)直接相關(guān)的設(shè)計(jì)過(guò)程，是集成電路設(shè)計(jì)的重要組成部分，后端設(shè)計(jì)的目的是將與工藝無(wú)關(guān)的通過(guò)硬件描述語(yǔ)言(HDL)表示的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)成與特定工藝相關(guān)的版圖。后端設(shè)計(jì)直接關(guān)系到芯片的設(shè)計(jì)周期、生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量。后端設(shè)計(jì)以往通常是人工設(shè)計(jì)中耗時(shí)最多，差錯(cuò)率最高的設(shè)計(jì)過(guò)程，也是集成電路設(shè)計(jì)發(fā)展較快，自動(dòng)化水平較高的領(lǐng)域。在超深亞微米工藝條件下，由于設(shè)計(jì)復(fù)雜度上升和新工藝帶來(lái)的物理特性變化，后端設(shè)計(jì)在很多方面需要進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)新的設(shè)計(jì)環(huán)境。

2 傳統(tǒng)的展平的后端設(shè)計(jì)方法

后端設(shè)計(jì)的主要流程包括布圖規(guī)劃(floor plan)、電源規(guī)劃(power plan)、布局(placement)、時(shí)鐘樹綜合(clock tree)、布線(routing)、驗(yàn)證仿真到流片[1]。

傳統(tǒng)的展平法流程中，首先需要將前端生成的邏輯網(wǎng)表展平，并將設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)單元作為葉節(jié)點(diǎn)，不同功能的模塊所包含的標(biāo)準(zhǔn)單元都在同一個(gè)層次上。在平面設(shè)計(jì)流程中，各個(gè)IP模塊是打散(smash)排列的，不需考慮各個(gè)模塊的功能與位置關(guān)系，并利用工具進(jìn)行自動(dòng)的布局布線[2]。展平法是將設(shè)計(jì)一次性的進(jìn)行綜合、布局布線。展平法的優(yōu)點(diǎn)是流程簡(jiǎn)單，同時(shí)時(shí)序性能好，這是因?yàn)樗軐?duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較全面的優(yōu)化。展平法的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)大小受限于綜合和布局布線工具的能力，如果設(shè)計(jì)規(guī)模太大，綜合和布局布線可能得不到結(jié)果或者結(jié)果很差，主要體現(xiàn)在布線布不通或者時(shí)序非常難收斂，而且迭代的時(shí)間非常長(zhǎng)。

3 層次式后端設(shè)計(jì)方法

層次法是將設(shè)計(jì)分成若干個(gè)模塊，對(duì)這些模塊分別進(jìn)行物理實(shí)現(xiàn)，然后把這些模塊組合成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)[3]。圖 1顯示了層次法設(shè)計(jì)法的流程。首先，根據(jù)邏輯關(guān)系將設(shè)計(jì)分成各個(gè)模塊，然后將各個(gè)模塊進(jìn)行綜合，得到各個(gè)模塊的門級(jí)網(wǎng)表(netlist)，再將各個(gè)模塊的門級(jí)網(wǎng)表組合成整個(gè)芯片的門級(jí)網(wǎng)表，將整個(gè)芯片的門級(jí)網(wǎng)表根據(jù)物理關(guān)系分成若干個(gè)模塊，同時(shí)通過(guò)時(shí)序分塊(timing budget)得到每個(gè)模塊的時(shí)序要求，根據(jù)每個(gè)物理模塊的門級(jí)網(wǎng)表和時(shí)序要求，實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊，最后將這些實(shí)現(xiàn)的模塊集成為一個(gè)完整的設(shè)計(jì)。

圖1 層次法后端設(shè)計(jì)流程

層次法設(shè)計(jì)包含以下基本步驟：

(1) 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備(Data Preparation)

準(zhǔn)備好后端設(shè)計(jì)所需要的數(shù)據(jù)：網(wǎng)表(netlist)，時(shí)序約束文件(sdc),單元庫(kù)(cell library),時(shí)序庫(kù)(tlf)等等。

(2) I/O PAD放置

根據(jù)芯片外管腳的定義和模塊數(shù)據(jù)流向手工放置I/O PAD的位置，也可以通過(guò)編寫TDF(top design format)文件，把PAD 位置進(jìn)行限制，用自動(dòng)布局布線工具讀入這個(gè)文件即可。

(3) 布局規(guī)劃(Floorplan)

根據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)流向和功能模塊的考慮，以及經(jīng)驗(yàn)值，給出“core utilization”等參數(shù)的值的設(shè)置，如果之后的布線出現(xiàn)擁塞，可以適當(dāng)調(diào)整這些參數(shù)的設(shè)置。

(4) 宏單元放置(Marco cell placement)

對(duì)模擬模塊或者RAM,ROM等宏單元提前放置，一般根據(jù)數(shù)據(jù)流和功能要求放置，如果沒(méi)有要求可以放置在靠近外圍，這樣不會(huì)影響到標(biāo)準(zhǔn)單元的布線。

(5) 電源(Power)

在PAD連上電源環(huán)給I/O供電，芯片內(nèi)部還要在水平和垂直方向給出多組電源組，這些電源組都會(huì)連上溝道(row)的電源，以達(dá)到IR DROP的要求。

(6) 標(biāo)準(zhǔn)單元放置(Standard cell placement)

標(biāo)準(zhǔn)單元被放置在預(yù)先設(shè)置好的溝道(row)里面,這種放置可以時(shí)時(shí)序驅(qū)動(dòng)的(timing driven)，也可以是功耗驅(qū)動(dòng)的(power driven)。