Автоматизированное проектирование СБИС на базовых матричных кристаллах
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.