1、VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 VLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)第第5章章 單元庫設(shè)計技術(shù)單元庫設(shè)計技術(shù) （2012）VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （2） 單元庫設(shè)計技術(shù)是當今單元庫設(shè)計技術(shù)是當今VLSI設(shè)計的主要技設(shè)計的主要技術(shù)之一，借助這個設(shè)計技術(shù)可以獲得性能優(yōu)越術(shù)之一，借助這個設(shè)計技術(shù)可以獲得性能優(yōu)越的的VLSIC。 單元庫是單元庫是“專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)”，是由經(jīng)過精心設(shè)，是由經(jīng)過精心設(shè)計和優(yōu)化的電路單元模塊所組成，單元庫提供計和優(yōu)化的電路單元模塊所組成，單元庫提供了性

2、能優(yōu)越的了性能優(yōu)越的“高級高級”設(shè)計平臺，使我們的設(shè)設(shè)計平臺，使我們的設(shè)計建立在高水平的設(shè)計基礎(chǔ)之上。計建立在高水平的設(shè)計基礎(chǔ)之上。VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （3）本章概要：本章概要：單元庫概念單元庫概念 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù) 積木塊設(shè)計技術(shù)積木塊設(shè)計技術(shù) VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （4） 單元庫技術(shù)所面對的直接是邏輯部件，即具有一單元庫技術(shù)所面對的直接是邏輯部件，即具有一定邏輯操作和運算功能的部件，它可能是一個邏輯門定邏輯操作和運算功能的部件

3、，它可能是一個邏輯門或是一個功能塊，甚至是一個功能相對完整的子系統(tǒng)。或是一個功能塊，甚至是一個功能相對完整的子系統(tǒng)。 單元庫設(shè)計技術(shù)的目標：單元庫設(shè)計技術(shù)的目標：全局和局部都被優(yōu)化全局和局部都被優(yōu)化。 全局優(yōu)化全局優(yōu)化是由設(shè)計系統(tǒng)對邏輯單元進行布局和布是由設(shè)計系統(tǒng)對邏輯單元進行布局和布線優(yōu)化迭代完成，生成符合某些目標函數(shù)要求的設(shè)計線優(yōu)化迭代完成，生成符合某些目標函數(shù)要求的設(shè)計結(jié)果。結(jié)果。局部優(yōu)化局部優(yōu)化則是通過對基本邏輯單元精心設(shè)計完則是通過對基本邏輯單元精心設(shè)計完成，兩者的結(jié)合才能得到滿意的設(shè)計結(jié)果。成，兩者的結(jié)合才能得到滿意的設(shè)計結(jié)果。 5.1 單元庫概念單元庫概念.1 .1VLSIVLS

4、I設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （5）.1 .15.1 單元庫概念單元庫概念為什么要采用單元庫技術(shù)？為什么要采用單元庫技術(shù)？VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （6）示例示例: :.2 .2VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （7）5.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元描述標準單元描述 標準單元設(shè)計技術(shù)，是指采用經(jīng)過精心設(shè)計的邏輯單元標準單元設(shè)計技術(shù)，是指采用經(jīng)過精心設(shè)計的邏輯單元版圖，按芯片的功能要求排列而成集成電

5、路的設(shè)計技術(shù)。版圖，按芯片的功能要求排列而成集成電路的設(shè)計技術(shù)。標準單元具有下列特征標準單元具有下列特征: 具有相同的高度，可以具有不同的寬度具有相同的高度，可以具有不同的寬度; 單元的電源線和地線通單元的上下端，從單元的左右兩側(cè)單元的電源線和地線通單元的上下端，從單元的左右兩側(cè)同時出線，電源、地線在兩側(cè)的位置相同，線的寬度一致同時出線，電源、地線在兩側(cè)的位置相同，線的寬度一致; 單元的輸入單元的輸入/輸出端安排在單元的上下兩邊，要求至少有一輸出端安排在單元的上下兩邊，要求至少有一個信號端可以在單元的上邊和下邊兩個方向同時引出，各引個信號端可以在單元的上邊和下邊兩個方向同時引出，各引出線的位置

6、及間隔以某個數(shù)值單位進行量化。出線的位置及間隔以某個數(shù)值單位進行量化。 .2 .2VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （8）.2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元描述標準單元描述 VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （9）.2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)一些示例一些示例: : VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （10）.2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)一些示例一

7、些示例: : VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （11）AND-OR=AND-NOR-NOT AND-NOR .2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)一些示例一些示例: : VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （12） 由于標準單元的整體結(jié)構(gòu)與門陣列相近，都采由于標準單元的整體結(jié)構(gòu)與門陣列相近，都采用用“行式結(jié)構(gòu)行式結(jié)構(gòu)”，因此其總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計準則與門陣，因此其總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計準則與門陣列的設(shè)計準則也相近。因為單元拼接以后，單元行的列的設(shè)計準則也相近。因為單元拼接以

8、后，單元行的電源和地線實際上已經(jīng)自動連在一起，因此，整體結(jié)電源和地線實際上已經(jīng)自動連在一起，因此，整體結(jié)構(gòu)的電源、地線布線僅僅是對單元行外部進行。構(gòu)的電源、地線布線僅僅是對單元行外部進行。 根據(jù)具體的邏輯，將相應(yīng)的標準單元從單元庫根據(jù)具體的邏輯，將相應(yīng)的標準單元從單元庫中調(diào)出，排列成行，根據(jù)相鄰兩行的需要，決定布線中調(diào)出，排列成行，根據(jù)相鄰兩行的需要，決定布線通道的寬度，進行布線和通道的寬度，進行布線和I/O單元的連接，即可完成單元的連接，即可完成具體集成電路的設(shè)計。具體集成電路的設(shè)計。 .2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科

9、學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （13）.2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （14）.2 .2單元行單元行: :VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （15） 對于每一個標準單元，在單元庫中有相應(yīng)的三個部分描述：對于每一個標準單元，在單元庫中有相應(yīng)的三個部分描述：單元邏輯符號，單元拓撲，單元版圖。單元邏輯符號，單元拓撲，單元版圖。 邏輯符號描述是一個圖形符號，它代表一個邏輯。邏輯符號描述是一個圖形符號，它代表一個邏輯。

10、單元拓撲是對單元的外部尺寸和出線位置的描述。單元拓撲是對單元的外部尺寸和出線位置的描述。 單元版圖由人工設(shè)計，標準單元的版圖和工藝選擇、工藝單元版圖由人工設(shè)計，標準單元的版圖和工藝選擇、工藝水平關(guān)系很大。水平關(guān)系很大。一套標準單元庫只能對應(yīng)一條工藝線一套標準單元庫只能對應(yīng)一條工藝線。 .2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元庫設(shè)計標準單元庫設(shè)計 VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （16） 首先，對輸入邏輯進行標準單元結(jié)構(gòu)的布局，這時采首先，對輸入邏輯進行標準單元結(jié)構(gòu)的布局，這時采用的是標準單元庫中單元拓撲圖。用的是

11、標準單元庫中單元拓撲圖。 其次，根據(jù)輸入邏輯的網(wǎng)絡(luò)進行布線，得到連接關(guān)系其次，根據(jù)輸入邏輯的網(wǎng)絡(luò)進行布線，得到連接關(guān)系圖。圖。 最后，將單元版圖填入單元拓撲，并將線網(wǎng)連接關(guān)系最后，將單元版圖填入單元拓撲，并將線網(wǎng)連接關(guān)系轉(zhuǎn)換為具體的布線即線網(wǎng)的幾何圖形。而單元的邏輯符號轉(zhuǎn)換為具體的布線即線網(wǎng)的幾何圖形。而單元的邏輯符號僅僅是用于原理圖編輯和模擬。僅僅是用于原理圖編輯和模擬。 用標準單元技術(shù)實現(xiàn)集成電路或集成系統(tǒng)的過用標準單元技術(shù)實現(xiàn)集成電路或集成系統(tǒng)的過程，通常分為三步。程，通常分為三步。5.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元庫設(shè)計標準單元庫設(shè)計 VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5

12、-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （17）標準單元設(shè)計技術(shù)的特點：標準單元設(shè)計技術(shù)的特點： 1. 標準單元是一個具有規(guī)則外部形狀的單元，其內(nèi)容是標準單元是一個具有規(guī)則外部形狀的單元，其內(nèi)容是優(yōu)化設(shè)計的邏輯單元優(yōu)化設(shè)計的邏輯單元版圖版圖，各單元的規(guī)模應(yīng)相近，并遵，各單元的規(guī)模應(yīng)相近，并遵循一致的引線規(guī)則。循一致的引線規(guī)則。2. 一個標準單元庫內(nèi)的所有單元遵循同一的工藝設(shè)計規(guī)一個標準單元庫內(nèi)的所有單元遵循同一的工藝設(shè)計規(guī)則，一個則，一個單元庫對應(yīng)一條或一組完全相同的工藝線單元庫對應(yīng)一條或一組完全相同的工藝線。也。也就是說，當工藝發(fā)生變化時，單元庫必須就是說，當工藝發(fā)生變化

13、時，單元庫必須修改或重建修改或重建。3. 不論是局部邏輯或是完整的集成電路或系統(tǒng)，用標準不論是局部邏輯或是完整的集成電路或系統(tǒng)，用標準單元實現(xiàn)的版圖采用單元實現(xiàn)的版圖采用“行式結(jié)構(gòu)行式結(jié)構(gòu)”，即各標準單元排列，即各標準單元排列成行。成行。.2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元庫設(shè)計標準單元庫設(shè)計 VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （18） 任何一種設(shè)計技術(shù)、版圖結(jié)構(gòu)都需要輸入任何一種設(shè)計技術(shù)、版圖結(jié)構(gòu)都需要輸入/輸出單元。大部分輸出單元。大部分I/O PAD都是以標準單元的結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)。這些都是以標準單元的結(jié)構(gòu)形

14、式出現(xiàn)。這些I/O PAD單元通常單元通常具有等高不等寬的外部形狀。具有等高不等寬的外部形狀。 現(xiàn)代設(shè)計理論提倡將現(xiàn)代設(shè)計理論提倡將IC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部信號接口分開設(shè)計。的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部信號接口分開設(shè)計。所以，承擔輸入、輸出信號接口的所以，承擔輸入、輸出信號接口的I/O單元就不再僅僅是壓焊塊，單元就不再僅僅是壓焊塊，而是具有一定功能的功能塊。這些功能塊擔負著對外的驅(qū)動，內(nèi)而是具有一定功能的功能塊。這些功能塊擔負著對外的驅(qū)動，內(nèi)外的隔離、輸入保護或其他接口功能，這就要求將電源和地線通外的隔離、輸入保護或其他接口功能，這就要求將電源和地線通達這些達這些I/O PAD。 這些單元的一個共同之處是都有

15、壓焊塊，用于連接芯片與封這些單元的一個共同之處是都有壓焊塊，用于連接芯片與封裝管座，這些壓焊塊通常是邊長幾十微米的矩形。裝管座，這些壓焊塊通常是邊長幾十微米的矩形。 .2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)輸入、輸出單元輸入、輸出單元（I/O PAD）VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （19）1. 輸入單元輸入單元 輸入單元主要承擔對內(nèi)部電路的保護，一般認輸入單元主要承擔對內(nèi)部電路的保護，一般認為外部信號的驅(qū)動能力足夠大，輸入單元不必具備再為外部信號的驅(qū)動能力足夠大，輸入單元不必具備再驅(qū)動功能。因此，輸入單元的結(jié)構(gòu)主要是輸

16、入保護電驅(qū)動功能。因此，輸入單元的結(jié)構(gòu)主要是輸入保護電路。輸入保護分為單二極管、電阻結(jié)構(gòu)和雙二極管、路。輸入保護分為單二極管、電阻結(jié)構(gòu)和雙二極管、電阻結(jié)構(gòu)，還可利用電阻結(jié)構(gòu)，還可利用PN結(jié)的擊穿特性。結(jié)的擊穿特性。 主要目的是主要目的是ESD（Electrostatic Discharge）保）保護。護。 .2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)輸入、輸出單元輸入、輸出單元（I/O PAD）VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （20）.2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)輸入、輸出單元輸入、輸出單元（I/O PA

17、D）VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （21）P阱阱VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （22）有源區(qū)有源區(qū)VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （23）多晶硅多晶硅VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （24）P+區(qū)區(qū)VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （25）N+區(qū)區(qū)VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基

18、礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （26）引線孔引線孔VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （27）金屬金屬VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （28）復合圖復合圖VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （29）2. 輸出單元輸出單元 輸出單元的主要任務(wù)是提供一定的驅(qū)動能力，輸出單元的主要任務(wù)是提供一定的驅(qū)動能力，防止內(nèi)部邏輯過負荷而損壞。另一方面，輸出單元防止內(nèi)部邏輯過負荷而損壞。另一方面

19、，輸出單元還承擔了一定的邏輯功能，單元具有一定的可操作還承擔了一定的邏輯功能，單元具有一定的可操作性。與輸入電路相比，輸出單元的電路形式比較多。性。與輸入電路相比，輸出單元的電路形式比較多。 主要的輸出單元包括：倒相輸出、同相輸出、主要的輸出單元包括：倒相輸出、同相輸出、三態(tài)輸出，以及金屬掩膜編程的輸入輸出單元。三態(tài)輸出，以及金屬掩膜編程的輸入輸出單元。 5.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)輸入、輸出單元輸入、輸出單元（I/O PAD）.2 .2VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （30）倒相輸出倒相輸出I/O PAD .2 .2

20、5.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)輸入、輸出單元輸入、輸出單元（I/O PAD）VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （31）.2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)輸入、輸出單元輸入、輸出單元（I/O PAD）倒相器鏈驅(qū)動結(jié)構(gòu)倒相器鏈驅(qū)動結(jié)構(gòu)VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （32）倒相器鏈驅(qū)動結(jié)構(gòu)倒相器鏈驅(qū)動結(jié)構(gòu)為什么倒相器鏈驅(qū)動？為什么倒相器鏈驅(qū)動？CgR0gCR0f CgR0fCRfg0YCCgL Yttolf2f3fNfffff總時間：總時間： fN

21、 由于每一級的驅(qū)動能力放大由于每一級的驅(qū)動能力放大 倍，倍，N級倒相器的驅(qū)動能力就放大了級倒相器的驅(qū)動能力就放大了 倍，所倍，所以以 。fNfYfNfYNlnlnYfffNttollnln？R0/f每級比前級放大每級比前級放大f 倍倍.2 .2VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （33）f 的取值的取值.2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)輸入、輸出單元輸入、輸出單元（I/O PAD）VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （34）同相輸出同相輸出I/O PAD 同相

22、輸出實際上就是同相輸出實際上就是“倒相倒相+倒相倒相”，或采用，或采用類似于圖類似于圖5.7所示的偶數(shù)級的倒相器鏈。所示的偶數(shù)級的倒相器鏈。 三態(tài)輸出三態(tài)輸出I/O PAD .2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)輸入、輸出單元輸入、輸出單元（I/O PAD）VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （35）.2 .2VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （36）.2 .2VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （37

23、）.2 .2VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （38）.2 .2VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （39）.2 .2VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （40）.2 .2VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （41）.2 .2VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （42）開漏輸出單元開漏輸出單元NNiAAAAAAb2121.2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)輸入、輸出單元輸入、輸出單元（I/O PAD）VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院東南大學電子科學與工程學院 （43）掩膜編程的掩膜編程的輸入輸出單元輸入輸出單元 .2 .25.2 標準單元設(shè)計技術(shù)標準單元設(shè)計技術(shù)輸入、輸出單元輸入、輸出單元（I/O PAD）P+ P+P-N-VLSIVLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)-5-5 東南大學電子科學與工程學院