新一代芯片設(shè)計(jì)專享的定制數(shù)字版圖簡介

本文詳細(xì)說明了一家消費(fèi)類產(chǎn)品市場中大型無晶圓半導(dǎo)體公司的數(shù)字IC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)如何活用標(biāo)準(zhǔn)化工具的互操作性，以維護(hù)大型、講求性能的40納米設(shè)計(jì)的手工版圖優(yōu)勢。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在多家供應(yīng)商工具的協(xié)助下，通過Silicon Integration Initiative(Si2)的OpenAccess(OA)互操作性標(biāo)準(zhǔn)化成果有效展開整合，從而形成了具有更大生產(chǎn)力的定制IC版圖流程。

大型數(shù)字集成電路(IC)設(shè)計(jì)的版圖通常都是使用高度自動化的版圖與繞線(APR)工具而建立的。盡管使用APR取代定制版圖存在著許多爭議，然而對大多數(shù)設(shè)計(jì)而言，APR的速度與掌握度等優(yōu)勢依然勝過面積或效能上的犧牲;但是，需要最高效能或最小面積的設(shè)計(jì)仍然依賴“手工”運(yùn)用定制IC版圖方法來完成。

在新一代的定制芯片中，復(fù)雜的規(guī)則、緊迫的上市時(shí)程以及纖薄尺寸與設(shè)計(jì)復(fù)雜度，使整個定制數(shù)字區(qū)塊的設(shè)計(jì)越來越難以實(shí)現(xiàn)。全自動化的APR流程無法提供必要的版圖與繞線的互動掌控。設(shè)計(jì)人員需要高度自動化而且可控制的全定制數(shù)字IC設(shè)計(jì)流程，獲致最佳的性能、速度與面積。

定制設(shè)計(jì)中可控制式自動化的好處

在設(shè)計(jì)大量儲存解決方案時(shí)，多年來設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都是為自己的模擬與定制數(shù)字設(shè)計(jì)而部署定制IC版圖自動化。雖然模擬設(shè)計(jì)人員一直都使用定制設(shè)計(jì)方法，但數(shù)字設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通常只有性能、功耗、速度或面積要求超過APR工具的能力時(shí)，才會轉(zhuǎn)而使用定制設(shè)計(jì)工具與流程。

為了實(shí)現(xiàn)最佳性能與周轉(zhuǎn)時(shí)間，工程師們會使用采用先進(jìn)可控制式自動化技術(shù)的工具，更快速且更事半功倍地建立定制數(shù)字設(shè)計(jì)。包括先進(jìn)的電路圖導(dǎo)向版圖(SDL)流程，這個流程運(yùn)用具備高度可架構(gòu)性、不依存于制程的參數(shù)式單元技術(shù)與器件層floorplan工具，提供實(shí)現(xiàn)最佳效能與密度所需的速度與控制，而不必改變設(shè)計(jì)風(fēng)格或犧牲成果質(zhì)量。

工程師們運(yùn)用繼承自電路圖的聯(lián)機(jī)而自動產(chǎn)生飛行線(flight lines)，然后使用內(nèi)建的規(guī)則導(dǎo)向交互式繞線器，手工配置關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的線路，以滿足超過2GHz的嚴(yán)苛頻率速度要求。在這種效能水平下，個別網(wǎng)絡(luò)的繞線對于環(huán)境以及與其他繞線、網(wǎng)絡(luò)甚至層別之間的互動會很敏感。為了平衡這些元素，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須與設(shè)計(jì)環(huán)境中所有元素互動。手工繞線時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以安排路線、萃取與評估關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)絕佳時(shí)序，然后加以修改，直到獲得所需值。

圖1. 飛行線顯示鏈接，并導(dǎo)引規(guī)則導(dǎo)向的手工繞線

迎接新一代定制數(shù)字設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

盡管定制版圖與手工繞線作法能夠滿足效能需求，卻越來越難在合理期間內(nèi)完成新一代定制數(shù)字區(qū)塊。

隨著設(shè)計(jì)益趨龐大而且復(fù)雜，版圖設(shè)計(jì)人員遭遇嚴(yán)重的繞線問題，并發(fā)現(xiàn)自己是在一片未知領(lǐng)域中設(shè)計(jì)繞線通路，必須放棄密度以便使越來越龐大的區(qū)塊中的手工與點(diǎn)對點(diǎn)自動化繞線作業(yè)獲得妥善的管理。雖然設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)仍然能夠達(dá)成能效目標(biāo)，卻常常要付出增加面積的代價(jià)，這在講究成本的市場上不能令人滿意。此外，完成設(shè)計(jì)所需的時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單一版圖所需時(shí)間。

圖2. OpenAccess中的相互操作性

隨著設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)移到40nm制程以滿足日增的效能需求，挑戰(zhàn)也水漲船高。對于手工繞線與既有的自動化定制繞線解決方案而言，在這個制程中，模塊變得過于龐大(太多互連線)，而且設(shè)計(jì)規(guī)則也太先進(jìn)。沒有任何大規(guī)模定制繞線器能夠提供先進(jìn)制程所需的深亞微米DRC-clean與DFM-aware繞線技術(shù)。

剛開始的時(shí)候，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)嘗試使用混合式流程，使用版圖編輯器像以前一樣以手工進(jìn)行關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的繞線工作，然后運(yùn)用APR支持先進(jìn)DRC規(guī)則的數(shù)字繞線器來完成非關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)。很不幸地，不斷地?fù)Q用多種工具降低了生產(chǎn)力。無論個別步驟的效率有多高，定制與數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域還是無法密切配合。此外，這個方法并非交互式的，會導(dǎo)致團(tuán)隊(duì)損失層次與連接數(shù)據(jù)。自動化繞線器多半會反復(fù)執(zhí)行部分精心繪制的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的繞線，需要廣泛的手工校對，甚至要繞線器重復(fù)作業(yè)。因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要花6個星期時(shí)間反復(fù)作業(yè)，才能夠獲得可接受，卻不是最佳的結(jié)果。

圖3. 繞線器辨識障礙然后繞線