新一代芯片專享的定制數(shù)字版圖設計

本文詳細說明了一家消費類產(chǎn)品市場中大型無晶圓半導體公司的數(shù)字IC設計團隊如何活用標準化工具的互操作性，以維護大型、講求性能的40納米設計的手工版圖優(yōu)勢。該團隊已經(jīng)在多家供應商工具的協(xié)助下，通過Silicon Integration Initiative(Si2)的OpenAccess(OA)互操作性標準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)設計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)設計而言，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計仍然依賴“手工”運用定制IC版圖方法來完成。

在新一代的定制芯片中，復雜的規(guī)則、緊迫的上市時程以及纖薄尺寸與設計復雜度，使整個定制數(shù)字區(qū)塊的設計越來越難以實現(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。設計人員需要高度自動化而且可控制的全定制數(shù)字IC設計流程，獲致最佳的性能、速度與面積。

定制設計中可控制式自動化的好處

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

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

工程師們運用繼承自電路圖的聯(lián)機而自動產(chǎn)生飛行線(flight lines)，然后使用內(nèi)建的規(guī)則導向交互式繞線器，手工配置關鍵網(wǎng)絡的線路，以滿足超過2GHz的嚴苛頻率速度要求。在這種效能水平下，個別網(wǎng)絡的繞線對于環(huán)境以及與其他繞線、網(wǎng)絡甚至層別之間的互動會很敏感。為了平衡這些元素，設計團隊必須與設計環(huán)境中所有元素互動。手工繞線時，設計團隊可以安排路線、萃取與評估關鍵網(wǎng)絡以實現(xiàn)絕佳時序，然后加以修改，直到獲得所需值。

圖1. 飛行線顯示鏈接，并導引規(guī)則導向的手工繞線

迎接新一代定制數(shù)字設計的挑戰(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。

隨著設計益趨龐大而且復雜，版圖設計人員遭遇嚴重的繞線問題，并發(fā)現(xiàn)自己是在一片未知領域中設計繞線通路，必須放棄密度以便使越來越龐大的區(qū)塊中的手工與點對點自動化繞線作業(yè)獲得妥善的管理。雖然設計團隊仍然能夠達成能效目標，卻常常要付出增加面積的代價，這在講究成本的市場上不能令人滿意。此外，完成設計所需的時間也遠遠超過單一版圖所需時間。

圖2. OpenAccess中的相互操作性

隨著設計團隊轉(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)，而且設計規(guī)則也太先進。沒有任何大規(guī)模定制繞線器能夠提供先進制程所需的深亞微米DRC-clean與DFM-aware繞線技術。

剛開始的時候，設計團隊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行關鍵網(wǎng)絡的繞線工作，然后運用APR支持先進DRC規(guī)則的數(shù)字繞線器來完成非關鍵網(wǎng)絡。很不幸地，不斷地換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)字設計領域還是無法密切配合。此外，這個方法并非交互式的，會導致團隊損失層次與連接數(shù)據(jù)。自動化繞線器多半會反復執(zhí)行部分精心繪制的關鍵網(wǎng)絡的繞線，需要廣泛的手工校對，甚至要繞線器重復作業(yè)。因此，設計團隊要花6個星期時間反復作業(yè)，才能夠獲得可接受，卻不是最佳的結果。

圖3. 繞線器辨識障礙然后繞線