集成电路版图设计方法及发展趋势

摘要：随着微电子工艺特征尺寸的不断缩小，集成电路技术的发展呈现部分新的特征。顺应时代技术潮流，我们将带领大家一起深入了解一下集成电路发展技术及发展趋势。集成电路的应用范围广泛，门类繁多。其分类方法也多种多样,大体上可以按照结构、规模和功能三方面来进行分类。目前集成电路设计有几种主要设计方法，包括全定制设计方法、定制设计方法、半定制设计方法和可编程逻辑电路设计方法。然后，让我们一起总结一下版图设计中的技巧，诸如：合并公共区域、减线法等。最后我们将回顾一下集成电路的发展历程及趋势，有针对性地设想一下版图设计技术的未来动态，为将来的就业做好准备。关键词：集成电路设计、版图设计、定制版图设计、SC设计方法、BLL设计方法、GA设计方法、IS技术等一、引言纵观人类文明发展历程，科学技术手段解放人类生产力，人类创造科技，科技反过来推进人类文明发展的进程。18世纪末至19世纪初，以伽利略自由落体定律、开普勒行星运动三大定律和牛顿力学为理论基础，以“瓦特发明蒸汽机”为标志的第一次产业革命，产生了近代纺织业和机械制造业，是人类进入利用机器延伸和发展人类体力劳动的时代。19世纪末至20世纪初，以1820年奥斯特、法拉第的电磁理论和麦克斯韦发现的电磁波理论为基础，以实用的发电机应用于工业为标志的第二次技术革命。当前，我们正在经历着以电子信息技术为代表的新的技术革命。有人认为，从20世纪中期，人类进入了继石器时代、青铜器时代、铁器时代之后的硅器时代。随着新世纪的到来微电子技术已经成为了整个信息时代的标志和基础。顺应时代潮流，版图设计基于集成设计诸多方法中的一种，具有它独特的存在价值和优势。结合自身实际情况，版图设计是我们电子信息科学与技术专业的基础课，且是我们将来从事就业的主要方向。不管是个人兴趣还是以后就业需求，完成版图设计这一课题的论文设计，将有助于自身加深对该领域的了解与认识，一边印证自己上课所学的内容，一边不断地扩充新的领域和知识，更重要的是通过这次论文设计将有助于自己加深对该专业课程的总结和提炼，并在所学内容的基础上不断凝练和升华，提供了很好的“学有所用，学以致用”实践平台。二、集成电路分类、设计途径和设计特点集成电路的应用范围广泛，门类繁多。其分类方法也多种多样。集成电路按结构可分为单片集成电路和混合集成电路两大类，单片集成电路包括：双极型、MOS型（NMOS、PMOS）、BIMOS型（BIMOS、BICMOS）混合集成电路则包括：薄膜混合集成电路和厚膜混合集成电路两种；根据集成电路规模的大小，通常将集成电路分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路，集成电路规模的划分主要是根据集成电路中的器件数目，即集成电路规模由集成度确定。根据集成电路的功能可以将其划分为数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路三类。由于集成电路种类多样，其设计方法往往不局限于固定的一种方案。集成电路设计方法一般可分为逻辑（或功能）设计、电路设计、版图设计和工艺设计四类。通常有两种设计途径：正向设计和逆向设计，一个好的、高效的集成电路设计应该满足功能正确、电学性能优化、芯片面积小、设计可靠性高等要求。集成电路设计与由分立元器件组成的逻辑电路比较起来，具有诸多特点及优势：（1）集成电路对设计正确性提出了更为严格的要求。对复杂的集成电路而言，必须避免设计过程中的错误。可以在芯片中设置容错电路，使芯片具有一定的修正功能。（2）集成电路外引出端的数目不可能与芯片内器件的数目同步增加，这就增加了从外引出端检测内部电路功能的困难，加之电路内部功能的复杂性，在进行集成电路设计，必须采用便于检测的电路结构，并需要对电路的自检测功能进行考虑。（3）布局、布线等版图设计过程是集成电路设计中所特有的，只有最终生成设计的版图，通过制作掩膜版、工艺流片，才能真正实现集成电路的各种功能。（4）集成电路在芯片上集成了数以万计、亿计的器件，应该采用分层分级设计和模块化设计思想。基于这次的论文课题下面将重点围绕集成电路设计方法中的版图设计进行总结和归纳。三、版图设计——定制版图设计方法（标准单元设计、积木块设计和门阵列设计）通过电路模拟和优化确定出集成电路的结构和元器件参数之后，便可进行版图设计。版图设计就是根据逻辑与电路功能要求以及工艺水平要求设计出供光刻用的掩膜版图。版图设计过程主要包括版图生成和版图检查和验证，版图生成过程主要包括布图规划和布局布线。目前集成电路设计中常用的几种主要设计方法有：全定制设计方法、定制设计方法、半定制设计方法和可编程逻辑电路设计方法。全定制设计是一种以人工设计为主的设计方法，一般适用于通用数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路。定制设计是按用户需要而专门设计制作的版图，在定制版图设计中，常常采用标准单元设计方法（SC方法）、积木块设计方法（BBL方法）和门阵列设计方法。标准单元设计方法又称SC方法，是指从标准单元库中调用事先设计好的逻辑单元（例如：cell、nmos、pmos等），并排列成行，行间留有可调整的布线通道，再按照功能要求用金属层依次连接via、poly、I/O单元，形成所需的专用电路。标准单元设计的主要资源来自标准单元库，单元库中单元的种类和设计质量直接影响着设计者在设计版图的效率和合格率。积木块设计方法又称宏单元设计方法，可以采用任意形状的单元，而且没有布线通道的概念，单元可以放在芯片的任意位置，得到更高的布图密度。但由于算法实现比较困难，目前都是采用矩形单元，它的长度和宽度都可以按照实际要求进行改变，现在也出现了L形单元。由于积木块设计方法具有较高的自由度，可以在版图和性能上得到最佳的优化。但其在布图时单元位置不规则，通道不规则，连线端口在单元四周，其布线算法比较复杂，这是目前EDA技术研究领域比较活跃的一个研究方向。现在版图设计人员不会局限于某一种设计方法，采用最多的就是标准单元库和积木块相结合的设计思路。门阵列设计方法又称GA方法，它是在一个芯片上把结构和形状相同的单元排列成阵列形式，每个单元内部包含若干个器件，单元之间留有布线通道，通道宽度和位置固定，并预先完成接触孔和连线外的所有芯片加工步骤，形成母片。然后根据不同的应用，设计出不同的接触孔板和金属连线版，在单元内部通过不同的连线使单元实现各种门的功能，再通过单元间连线实现所需的电路功能。通过制作接触孔和金属连线掩膜版、工艺流片、封装、测试完成专用集成电路制造。通过学习微电子理论知识和版图设计课，老师利用Linux系统为我们演示了标准单元库的创建及使用，包括在IC001下创建自己的Cell和MOS单元，并教我们如何存储与调用。通过自己动手一点一点地绘制简单电路的版图（例如：反相器、加法器等），对照使用调用标准单元库中的单元，从速度和准确率上有质的提升，不仅能够确实提高版图绘制效率，并且能够降低出错率。三种方法相互比较，标准方法中的单元数、压焊块数、通道间距取决于功能要求和芯片要求，布局布线的自由度较大；门阵列方法需要事先选用一个合适的母片，具有固定的单元数、压焊块数和通道间距。因此，与标准单元设计相比，门阵列设计方法的设计灵活性较低，门的利用率也较低；而且单元中某些器件会空置，并且由于布线通道的限制，互连线的布通率较低，在某些情况下需要花费大量的时间进行人工布线。由于所需掩膜版数目的减少，工艺相应减少，与标准单元设计相比，门阵列设计方法具有设计周期短、设计成本低、设计风险低等特点，一般适用于设计规模适当、中等性能、要求设计时间较短、数量相对较少的电路。四、版图设计技巧及总结通常情况下集成电路版图设计的目标是减少芯片面积、提高电路性能、节约设计费用等，版图设计人员针对我们版图设计的目标已经提出了一些比较成熟的设计方法。（1）合并公共区域一个较好的版图，不是每个元件都是相互独立的存在，而是尽可能地将各元器件的公共区域合并在一起，例如：有3个相同类型的NMOS实现它们的逻辑串联，首先可以将3个NMOS变成等长等宽完全相同的MOS单元，然后再根据电路的逻辑要求实现它们的相互串联，将它们的Source和Drain两端共用。（2）减线法在芯片较大的版图上，对于单层金属或双层金属布线的工艺，几乎一半以上的芯片面积用于信号连线，因此减少布线对于减少芯片面积有很重要的意义。例如，某功能单元同时需要信号和信号非两种信号线，在设计版图的时候可以，只设计信号一根信号线。当需要信号非的时候可以将该信号线外接一个反相器来产生信号非。（3）布线在硅栅CMOS集成电路中，主要用金属和多晶硅作为连线，当需要布线的时候，可以做一条水平的金属连线和一条与金属线垂直方向的多晶，这样做可避免在这两条线的交点处存在短路，使连线容易布得通且整个版图规整。（4）利用EDA工具提高设计速度对于电路中大量重复的单元，可以将它们的版图设计好存放在数据库中，等做版图的时候需要用哪个单元就可以从标准单元库中调出直接使用，节省建立版图时间和减少错误。例如需要制作3个串联结构的4*1NMOS，可以直接从标准数据库调出做好的4*1NMOS单元，然后进行拼装及金属连线；或者调出Cell单元，把它组成4*1NMOS结构，再把它串联起来实现它的逻辑功能。（5）利用空的区域多设置阱和衬底连接在CMOS电路结构中，N阱和P型衬底形成二极管。如果N阱的电压下降，P衬底的电压上升，就有可能使二极管正偏，致使二极管损坏。所以要避免这个二极管不会发生正偏，最简单的办法是将N阱接最高的电位，P衬底接低电位，这种连接方式就叫做阱连接和衬底连接。设置的阱连接和衬底连接的越好，二极管发生的正偏几率就越低，芯片就越安全。（6）标准单元版图高度固定，宽度可变如果相邻的几个单元的高度参差不齐，会导致版图设计中金属、电源连线不是标准的直线弯来弯去，可能要浪费不少版图面积；相反，如果这些相邻的单元是等高的，各个单元固有的金属线和电源线就会自动的连成一条直线，使得版图变得有条理、规整。而且各个单元互相并排放置，在进行DRC检测的时候也不会出错。在制作版图的过程中，注意使用这些技巧不仅能做到设计简洁、整齐有序，更为重要的是通过使用这些技巧能够切实提高绘制版图的效率，有效降低出错率。不仅能提高公司效益降低劳动成本，而且能够优化电路性能、增强市场优势。五、集成电路未来的发展趋势在集成电路（IC）发展初期，电路设计经历了从器件的物理版图设计到集成电路单元库的出现，使得集成电路设计从器件级进入逻辑级，这种设计思想使得诸多电路和逻辑设计师能够直接参与集成电路设计，极大地推动了IC产业的发展。尽管IC的速度高、功耗小，但由于PCB板中IC芯片之间的连线延时、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整机系统的性能受到了极大地限制。目前随着微电子制造技术的发展，21世纪的微电子技术将从目前的3G时代逐步向3T时代迈进。正是在需求牵引和技术推动的作用下，出现了将整个系统集成在一个或几个微电子芯片上的集成系统（IS）或系统芯片（SOC）概念。从分立元器件到集成电路，再由集成电路过渡到系统集成。它不仅是技术的革新，同时也是时代的进步。它对微电子技术的推动作用将不亚于自20世纪50年代末快速发展起来的集成电路技术。微电子技术从IC向IS转变不仅是一种概念上的突破，是信息技术发展的必然结果，它必将导致又一次以微电子技术为基础的信息技术革命，21世纪的今天将是IS技术真正快速发展的时代。鉴于集成电路IS技术的发展，随着技术水平的不断提高版图设计也在不断升级。由一开始的手工绘制、检测到人工平台绘制、检测再到智能平台绘制、DRC/LVS智能检测。而在刚刚结束的版图设计课中，老师告诉我们现在制作版图的公司都有自己的标准单元库，从基本的Cell、MOS单元到反相器、定时器、加法器的基本器件版图都囊括其中，很多简单集成电路版图都不用设计人员亲自动手画，直接从自己的单元库中调用就行，当然各公司标准单元库的规模不一样，规模较大、体系较完善的公司其标准单元库就越丰富，涵盖的标准单元也相对的多一些。再就是电路版图的各项性能检测，也都专门的人员编写程序通过仿真