Автоматизированное проектирование СБИС на базовых матричных кристаллах

Московский Государственный Институт Электроники и Математики 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- ния. ПОТРЕБНОСТЬ ЭФФЕКТИВНОГО ПРЕКТИРОВАНИЯ СБИС. СТАНДАРТНЫЕ И ПОЛУЗАКАЗНЫЕ ИС. 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 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- назначении функциональных элементов схемы на места расположения соответствующих функциональных элементов кристалла и проведении 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- 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- 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 коммутации. Основные достоинства БМК, заключающиеся в снижении 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- 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- рийную и внутреннюю области (рис. 1). В периферийной области рас- 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 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- 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. рис. 3 рис. 4 Особенностью ячейки является специальное расположение выво- 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 важно при проектировании СБИС. В другой макроячейке выводы ячейки располагаются только на одной стороне, т. е. выводы ячеек верхнего ряда находятся на таких макроячеек позволяет сократить требуемую площадь кристалла, 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 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 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 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- применяться, если в ячейке не реализуется элемент, или реализация Таким образом, в настоящее время разработано большое многооб- 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 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 зисторы и др.). Следовательно, проектирование микросхемы можно бы- ло бы вести и на приборном уровне. Однако этот способ не находит 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, чатных плат на базе типовых серий микросхем. 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, 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 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, которое определяется типом макроячеек. Так, для макроячейки, пока- ╔════════╗ ╔════════╗ ╔═══╤════╗ ╔════════╗ ║ ║ ║ ║ ║███│ ║ ║████████║ ╟────┐ ║ ╟────────╢ ║███└────╢ ║████████║ ║████│ ║ ║████████║ ║████████║ ║████████║ ╚════╧═══╝ ╚════════╝ ╚════════╝ ╚════════╝ рис. 5 занной на рис. 4(a), возможные формы элементов приведены на рис. 5. При этом следует иметь в виду, что каждая форма может быть реа- кратный 90'. Для расширения возможностей наилучшего использования площади кристалла для каждого логического элемента разрабатываются варианты тапологии, позволяющие его реализовать в различных частях макроячейки. Поскольку структура макроячейки обладает симметрией, то эти варианты топологии, как правило, могут быть получены из ба- зового вращением относительно осей симметрии. являются форма логического элемента и расположение его выводов (цоколевка). СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАТРИЧНЫХ БИС заданной логической схемы к ее физической реализации на основе БМК. При этом исходные данные представляют собой описание логичес- кой схемы на уровне библиотечных логических элементов, требования элементов, а также технологические ограничения. Требуется получить ричной БИС. Важной характеристикой любой электронной аппаратуры ность монтажа определяется исходными данными. При этом возможна выбирается одна из двух альтернатив: либо матричная БИС проектиру- ется на БМК больших размеров, либо часть схемы переносится на дру- гой кристалл, т. е. уменьшается объем проектируемой схемы. Основным требованием к проекту является 100%-ная реализация соединений схемы, а традиционным критерием, оценивающими проект, - эксплуатационными параметрами, как надежность, помехоустойчивость, быстродействие. В целом задачи конструирования матричных БИС и пе- элементов и высоким уровнем унификации конструкций. Вместе с тем имеют место следующие отличия: - элементы матричных БИС имеют более сложную форму (не пря- моугольную); - наличие нескольких вариантов реализации одного и того же типа элемента; - позиции для размещения элементов группируются в макроячей- ки; - элементы могут содержать проходы для транзитных трасс; рии кристалла; - ячейка БМК, не занятая элементом, может использоваться для реализации соединений; - число элементов матричных БИС значительно превышает значе- Перечисленные отличия не позволяют непосредственно использо- вать САПР печатных плат для проектирования матричных БИС. Поэтому в настоящее время используются и разрабатываются новые САПР, пред- ются и модернизируются уже действующие САПР печатных плат для ре- ется, когда в системе имеется набор программ для решения задач те- ории графов, возникающих при конструировании. Поскольку трассировка соединений на БМК ведется с заданным шагом на дискретном рабочем поле (ДРП), то необходимо чтобы выводы могут располагаться с шагом, не кратным шагу ДРП. В этом случае используется простой прием введения фиктивных контактных площадок, связанных с внутренними частями ячейки. Если трасса к макроячейке не подходит, то область фиктивной площадки остается свободной. При разработке САПР БИС на БМК необходимо учитывать требова- сятся: 1. Реализация сквозного цикла проектирования от схемы до комплектов машинных документов на изготовление, контроль эксплуа- тацию матричных БИС. 2. Наличие архива данных о разработках, хранимого на долгов- ременных машинных носителях информации. 3. Широкое применение интерактивных режимов на всех этапах проектирования. 4. Обеспечение работы САПР в режиме коллективного пользова- большинство существующих САПР матричных БИС реализовано на высо- бежных фирм применяет и мини-ЭВМ. Процесс проектирования матричных БИС традиционно делится на следующие укрупненные этапы: 1. Моделирование функционирования объекта проектирования. 2. Разработка топологии. 3. Контроль результатов проектирования и доработка. 4. Выпуск конструкторской документации. Рассмотрим каждый шаг в отдельности. Поскольку матричная БИС является ненастраиваемым и не ремонтоспособным объектом, то необ- ходимо еще на этапе проектирования обеспечить его правильное функционирование. Достижение этой цели возможно двумя способами: созданием макета матричных БИС на основе дискретных элементов и его испытанием и математическим моделированием. Первый способ свя- зан с большими временными и стоимостными затратами. Поэтому макет используется тогда, когда он специально не разрабатывается, а уже существует (например, при переходе от реализации устройств на пе- чатных платах к матричным БИС). Второй способ требует создания эф- фективной системы моделирования схем большого размера, так как при моделировании необходимо учитывать схемное окружение матричных Этап разработки топологии связан с решением следуюших задач: размещение элементов на БМК, трассировка соединений, корректировка топологии. Иногда в качестве предварительного шага размещения ре- шается специальная задача компоновки (распределения элементов по макроячейкам). В этом случае возможны различные методы решения за- дачи размещения. Первый метод состоит в том, чтобы после компонов- ки размещать группы элементов, соответствующих макроячейкам, а за- тем размещать элементы внутри каждой макроячейки. При этом крите- рий оптимальности компоновки вклкючает составляющие, определяемые плотностью заполнения макроячеек и связностью элементов макроячей- ки. Достоинствами этого метода являются сокращение размерности за- дачи размещения и сведение исходной задачи к традиционным задачам компоновки и размещения. Возможность применения традиционных мето- ализации группы элементов в макроячейке для получивших распростра- ношение совместимости пар элементов. Отметим, что так как располо- сравнительно низкие результаты. Другой метод размещения состоит в распределении элементов по макроячейкам с учетом координат макроячеек. В этом случае в ходе компоновки определяются координаты элементов с точностью до разме- ров макроячеек и появляется возможность учета положения транзитных трасс. Для матричных схем небольшой степени интеграции (до 1000 элементов на кристалле) применяются модификации традиционных алго- ритмов размещения и трассировки. Для СБИС на БМК необходима разра- ботка специальных методов. Задача корректировки топологии возникает в связи с тем, что существующие алгоритмы размещения и трассировки могут не найти полную реализацию объекта проектирования на БМК. Возможна ситуа- ция, когда алгоритм не находит размещение всех элементов на крист- алле, хотя суммарная площадь элементов меньше площади ячеек на формы элементов, так и необходимостью выделения ячеек для реализа- ции транзитных трасс. Задача определения минимального числа макро- ячеек для размещения элементов сложной формы представляет собой известную задачу покрытия. Возможность отсутствия полной трассировки обусловлена эврист- ическим характером применяемых алгоритмов. Кроме того, в отличие от печатных плат навесные проводники в матричных БИС запрещены. Поэтому САПР матричных БИС обязательно включает средства корректи- следующие операции: выделение линии содиняемых фрагментов; измене- гии. Для матричных БИС таким фрагментом может быть канал для трас- сировки, или макроячейка, в которой варьируется размещение элемен- тов и др. Решение последней задачи, помимо реализации функций про- ектирования с заданными граничными условиями (определяемыми окру- подсхемы, соответствующей выделенному фрагменту. На этапе контроля проверяется адекватность полученного проек- та исходным данным. С этой целью прежде всего контролируется соот- логии, выполненной разработчиком, поскольку этог процесс может сопровождаться внесением ошибок. В настоящее время известны два способа решения рассматриваемой задачи. Первый сводится к восста- новлению схемы по топологии и дальнейшему сравнению ее с исходной. Эта задача близка к проверке изоморфизма графов. Однако на практи- ке для ее решения может быть получен приемлемый по трудоемкости которыми элементами сравниваемых объектов. Дополнительная слож- ность данной задачи связана с тем, что в процессе проектирования происходит распределение инвариантных объектов (например, логичес- дественных схем могут не существовать одинаковые описания и, сле- довательно, требуются специальные модели, отображающие инвари- антные элементы. В общем случае универсальные модели для представ- ления инвариантных элементов не известны, что и явилось одной из причин развития второго способа, согласно которому проводится пов- Функционирование спроектированной схемы мотает отличаться от результате образования паразитных элементов. Поэтому для более полной оценки работоспособности матричных БИС при восстановлении зитных емкостей и сопротивлений и учитывать их при моделировании на логическом и схемотехническом уровнях. Существуют причины, по которым перечисленные методы контроля относятся, например, несовершенства моделей и методов моделирова- ния. Поэтому контроль с помощью моделирования дополняется контро- специальных программ осуществляется генерация тестов для проверки готовых БИС. Отметим, что при проектировании матричных БИС прове- дение трудоемкого геометрического контроля не требуется, так как при их разработке. Заключительным этапом проектирования матричных БИС является выпуск конструкторской документации, которая содержит информацию (на соответствующих носителях) для управления технологическими станками-автоматами и сопроводительные чертежи и таблицы, состав и содержание которых регламентируются ГОСТами, а оформление - требо- ваниями ЕСКД. Для автоматизированного выпуска графической и текст- позволяет: компактно и наглядно описывать отдельные фрагменты до- извлекать требуемую информацию из архива и включать ее во фрагмен- ты документов; распечатывать требуемый документ.