Реферат: Автоматизированное проектирование СБИС на базовых матричных кристаллах
Название: Автоматизированное проектирование СБИС на базовых матричных кристаллах Раздел: Рефераты по радиоэлектронике Тип: реферат |
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. 5. При этом следует иметь в виду, что каждая форма может быть реа- лизована с поворотом относительно центра макроячейки на угол, 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. При проектировании на уровне элементов существенными данными являются форма логического элемента и расположение его выводов (цоколевка). СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАТРИЧНЫХ БИС ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Задача конструирования матричных БИС состоит в переходе от 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 к его функционированию, описание конструкции БМК и библиотечных элементов, а также технологические ограничения. Требуется получить конструкторскую документацию для изготовления работоспособной мат- ричной БИС. Важной характеристикой любой электронной аппаратуры является плотность монтажа. При проектировании матричных БИС плот- ность монтажа определяется исходными данными. При этом возможна ситуация, когда искомый вариант реализации не существует. Тогда 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, - суммарная длина соединений. Именно этот показатель связан с такими эксплуатационными параметрами, как надежность, помехоустойчивость, быстродействие. В целом задачи конструирования матричных БИС и пе- чатных плат родственны, что определяется заранее заданной формой 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; - равномерное распределение внешних элементов по всей перифе- рии кристалла; - ячейка БМК, не занятая элементом, может использоваться для реализации соединений; - число элементов матричных БИС значительно превышает значе- ние соответствующего параметра печат ных плат. Перечисленные отличия не позволяют непосредственно использо- вать САПР печатных плат для проектирования матричных БИС. Поэтому в настоящее время используются и разрабатываются новые САПР, пред- назначенные для проектирования матричных БИС, а также дорабатыва- ются и модернизируются уже действующие САПР печатных плат для ре- шения новых задач. Реализация последнего способа особенно упроща- 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 элементов попадали в клетки ДРП. Однако внешние выводы макроячеек 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- ния к системам, диктуемые спецификой решаемой задачи. К ним отно- 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- ния. Учитывая большую размерность залачи проектирования, большинство существующих САПР матричных БИС реализовано на высо- копроизводительных ЭВМ. Однако в последнее врем все больше зару- бежных фирм применяет и мини-ЭВМ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 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 БИС, которое по числу элементов во много раз больше самой схемы. 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- дов компоновки предопределяется тем, что условие существования ре- ализации группы элементов в макроячейке для получивших распростра- нение БМК легко выражается через суммарную площадь элементов и от- ношение совместимости пар элементов. Отметим, что так как располо- жение элементов внутри макроячеек существенно влияет на условия трассировки соединений между макроячейками, рассмотренный метод решения задачи размещения для некоторых типов БМК может давать 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 кристалле. Это положение может быть обусловлено как сложностью 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- ровки топологии. При этом в процессе корректировки выполненяются следующие операции: выделение линии содиняемых фрагментов; измене- ние положения элементов и трасс с контролем вносимых изменений; автоматическая трассировки указанных соединений; контроль соот- ветствия результатов трассировки исходной схеме. Уже сейчас акту- альной является задача перепроектирования любого фрагмента тополо- 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- жением фрагмента), требует разработки аппарата формирования подсхемы, соответствующей выделенному фрагменту. На этапе контроля проверяется адекватность полученного проек- та исходным данным. С этой целью прежде всего контролируется соот- ветствие топологии исходной принципиальной (логической) схеме. Не- обходимость данного вида контроля обусловлена корректировкой топо- 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 алгоритм ввиду существования фиксированного соответствия между не- которыми элементами сравниваемых объектов. Дополнительная слож- ность данной задачи связана с тем, что в процессе проектирования происходит распределение инвариантных объектов (например, логичес- ки эквивалентных выводов элементов), поэтому для логически тож- 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- торное логическое моделирование восстановленной схемы. Функционирование спроектированной схемы мотает отличаться от требуемого не только из-за ошибок, внесенных конструктором, но и в результате образования паразитных элементов. Поэтому для более полной оценки работоспособности матричных БИС при восстановлении схемы по топологии желательно вычислять значения параметров пара- зитных емкостей и сопротивлений и учитывать их при моделировании на логическом и схемотехническом уровнях. Существуют причины, по которым перечисленные методы контроля не позволяют гарантировать работоспособность матричных БИС. К ним относятся, например, несовершенства моделей и методов моделирова- ния. Поэтому контроль с помощью моделирования дополняется контро- лем опытного образца. Для этого на этапе лроектирования с помощью специальных программ осуществляется генерация тестов для проверки готовых БИС. Отметим, что при проектировании матричных БИС прове- дение трудоемкого геометрического контроля не требуется, так как трассировка ведется на ДРП, а топология элементов контролируется 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- овой документации обычно разрабатывается входной язык, который позволяет: компактно и наглядно описывать отдельные фрагменты до- кумента; размещать отдельные фрагменты на площади документа; извлекать требуемую информацию из архива и включать ее во фрагмен- ты документов; распечатывать требуемый документ. |