大规模集成电路CAD 第六章自动布局、布线及SOC简介
自动布局、布线及SOC简介
索
➢ 晶振单元
➢ 直流电压转换器(DC-DC converter)
➢ I/O模块
➢ 无线传输模块
➢ 图像处理模块
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第6章 自动布局布线及SOC简介
6.3 VLSI设计发展方向
VLSI发展趋势
先进工艺(高集成度、低功耗）
路
漫 漫
系统化设计方法（SOC，SOPC，结构化ASIC）
将
上
下
而
求 索
后仿真
电学规则检查 网表一致性检查
DRC:Design Rule Check设计规则检查 ERC:Electronic Rule Check电学设计规则 LVS:Layout vs Schematic Check网表一致性检查
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第6章 自动布局布线及SOC简介
15
⑥ 输出结果
第6章 自动布局布线及SOC简介
所有检查验证无误，布图结果转换为GDSII格式的掩膜文 件。
路 漫
然后通过掩膜版发生器或电子束制版系统，将掩膜文件
漫 其
转换生成掩膜版。
修
远
兮 吾
⑦
后仿真
将
上
下 而
后仿真是指版图完成后提取芯片内部寄生参数后的得到
求
索
最准确的门延时和互连线延时的仿真。
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第6章 自动布局布线及SOC简介
IP核
软核
是用可综合的RTL描述或者通用库元件的网表形式表示的可复用模块。 用户须负责实际的实现和版图。
路
固核
漫 漫
是指在结构和拓扑针对性能和面积通过版图规划，甚至可用某种工艺
《自动布局布线》课件
探索自动布局布线的奇妙世界，帮助你提高电路板或芯片的性能，节省时间， 减少错误。
什么是自动布局布线?
自动布局布线是一种方法，用于自动为电路板或芯片设计最佳电线布局。
为什么需要自动布局布线?
手动布线耗时且容易出错，而自动布局布线可以节省时间、减少错误，并提 高电路板或芯片的性能。
2 准确性
避免人为错误，提高电路板或芯片的性能。
4 高效
节省时间，快速完成布线任务。
自动布局布线的挑战
算法复杂度高
处理大规模网络布线的算法复杂度较高。
异常情况处理
对输入异常情况的处理较困难，需要更精细的算法设计。
CPU处理限制
处理大规模网络布线时，仅依靠CPU很难满足要求。
结论
自动布局布线能够帮助我们节省时间、减少错误，并提高电路板或芯片的性 能。
自动布局布线的流程，为后续布线准备。
2
网络构建
将电路元件在网格中建立连接，形成网络。
3
优化网络
对网络进行优化，使其满足性能要求。
4
生成布线
根据优化后的网络，生成最佳的电线布局。
自动布局布线的优势
1 自动化
提高效率，减少人工工作量。
3 可重复性
保持一致的布线质量。
尽管自动布局布线还面临一些挑战，但随着技术发展，我们可以期待它在未 来发挥更大的作用。
(整理)集成电路的布局与布线简介.doc
第8章集成电路的布局与布线简介1.版图设计的步骤大规模集成电路的布局与布线和设计的方式有密切关系，常用的设计方式主要有全定制式、半定制式和定制式等三类方式。
1．全定制式全定制式是像一般设计过程那样，由设计者按设计要求一步一步地设计，组合出各种逻辑电路，当然在设计中也会采用部分现成的电路，但是整个设计是在电路模块形式和位置没有限制的情况下组成电路，进行布局和布线。
2．半定制式半定制式则是事先已经有了若干种具有各种功能的成品或半成品作为单元，在已有单元的基础上进行电路的组合。
这时采用何种单元进行设计就可以有多种方式了。
其中叫做标准单元的方法是利用称为标准单元的现成电路单元进行设计。
这些标准单元的物理版图都是等高不等宽的结构，其引出线也都是规范化的，如图8 1所示。
标准单元法就是在这种基础上，用标准单元构成大规模集成电路。
这种方式便于布图和布线，应用较广。
显然，标准单元是按一定工艺设计好了的逻辑单元，在布图时是不能改变的，工艺更新时先要更新单元库，和全定制式相比布图时会出现冗余空间，密度不能很高。
把标准单元做成各种逻辑门，以门为单位排成一定阵列进行布局和布线的方式，称为门阵列式。
门阵列中，留有规则的布线通道，用以连接各门单元。
上述的单元，都不是已经生产出来的单元，而是准备好的生产单元用的各种母片，布图和布线达到要求后，按确定下来的布图和布线将母片投入生产工艺。
由于单元在构成时要考虑能适用于较多的用途，母片中设置的晶体管数相对要多，使用时会成为冗余的晶体管，接线通道也成倍数地增多，集成电路的面积难免会有浪费，因此，适用于中、小批量电路产品的设计与生产。
3．定制方式定制方式的设计是把各种基本逻辑单元事先设计完好，形成独立的功能单元，放在库中存储，设计时调出功能单元组合成各种电路。
这些功能单元也可以是寄存器、算数逻辑单元、存储器等，对形状也没有统一的要求。
这种设计法也叫通用单元法或积木块法。
不同的设计方法有不同的布局与布线要求，相应地，在利用计算机自动设计时需要采取不同的计算方法和程序。
《集成电路CAD》大纲郭
《集成电路CAD》教学大纲Integrated Circuit CAD课程编号：0713315课程性质：专业限选课适用专业：微电子学先修课程：集成电路设计原理后续课程：综合设计，毕业设计总学分：3.0学分其中实验学分: 1.0教学目的与要求:本课程是微电子学专业的一门专业选修课，集成电路计算机辅助设计包括逻辑设计、电路设计、器件设计、版图设计以及工艺设计等阶段的CAD，本课程介绍集成电路CAD的各个阶段的CAD的基本原理，以及若干CAD软件包的使用方法。
通过本课程的学习，使学生了解并掌握集成电路CAD技术的基本原理和内容，并要求同学能通过上机实践，熟悉主要设计环节中的一些CAD软件的使用方法。
教学内容与学时安排序号1234章目名称第一章概述第二章电路基础第三章Spectre电路模拟第四章版图设计学时分配24410序号567章目名称第五章版图验证第六章自动布局布线第七章UNIX知识及基本操作学时分配642第一章概述（2学时）第一节集成电路的发展史第二节集成电路的发展趋势第三节集成电路的设计方法第四节集成电路的辅助设计工具基本要求：了解集成电路的发展趋势和设计工具第二章CMOS电路基础（4学时）第一节理想开关与布尔运算第二节MOSFET开关第三节基本的CMOS逻辑门第四节CMOS复合逻辑门第五节传输门（TG）电路重点：基本的CMOS逻辑门；CMOS复合逻辑门。
难点：CMOS复合逻辑门。
基本要求：掌握基本的CMOS逻辑门的电路特征第三章电路模拟（4学时）第一节电路模拟引入第二节电路模拟分析重点：模拟测试电路的搭建；模拟类型分析。
难点：模拟类型分析。
基本要求：掌握电路模拟的分析方法第四章版图设计（10学时）第一节基本概念第二节基本工艺层版图第三节CMOS版图入门第四节FET版图尺寸的确定第五节CMOS版图设计方法第六节版图设计规则第六节其他类型版图简介第九节版图的识别重点：基本工艺层版图；CMOS版图设计方法；版图设计规则。
集成电路设计的CAD系统
高性能集成电路设计案例中，CAD系统发挥了关键作用。首先，CAD系统提供了多种电路结构供设计师选择和测试，以便找到最优设计方案。其次，通过使用CAD系统的模拟功能，设计师可以在实际制造之前预测电路的性能和行为。此外，CAD系统还提供了强大的布局和布线工具，帮助设计师高效地实现电路设计。这些工具可以根据设计规则对电路布局进行优化，并自动完成布线过程，从而大大提高了设计效率。
低功耗集成电路设计案例强调了CAD系统在降低芯片功耗和提高能效方面的应用价值。通过优化电路结构和元件参数，以及使用功耗分析和优化工具，设计师能够实现低功耗设计目标。这对于便携式电子设备的发展具有重要意义。
在低功耗集成电路设计案例中，CAD系统同样发挥了关键作用。首先，CAD系统提供了多种电路结构和元件参数供设计师选择和优化，以便降低芯片功耗和提高能效。其次，通过使用CAD系统的功耗分析功能，设计师可以精确地测量和分析电路的功耗行为。此外，CAD系统还提供了功耗优化工具，帮助设计师进一步降低功耗和提高能效。这些工具可以帮助设计师优化电路结构和元件参数，以满足低功耗设计的要求。
详细描述
总结词
详细描述
基于人工智能的cad系统利用机器学习和人工智能技术来自动化电路设计过程。
基于人工智能的cad系统是当前研究的热点领域，具有广阔的应用前景和发展潜力。
基于人工智能的cad系统适用于各种类型的集成电路设计，包括数字、模拟和混合信号电路。
基于人工智能的cad系统
04
集成电路设计的cad系统技术
布线算法
布线算法能够根据电路结构和元件之间的连接关系，自动规划出合理的布线路径。
优化目标
布局与布线技术的目标是实现电路性能、功耗和可靠性的最优化。
布局与布线技术
利用CAD进行电路板布局与布线的实践指南
利用CAD进行电路板布局与布线的实践指南在电路板设计过程中，布局与布线是非常关键的环节。
利用计算机辅助设计(CAD) 软件进行电路板布局与布线可以提高效率、减少错误。
本文将介绍一些实用的技巧和步骤，帮助您更好地利用CAD软件进行电路板布局与布线。
第一步是准备工作。
在开始之前，您需要准备电路图和电路板尺寸的相关信息。
将电路图导入CAD软件中，并根据电路板的尺寸进行设置。
确保包含正确的层次结构和元件。
接下来是布局。
布局是将电路元件放置在电路板上，并合理地确定它们的位置。
在选择元件的位置时，需要考虑到元件之间的连接、走线长度、电路的整体性能和电磁兼容性。
在布局时，可以参考以下几点：1. 先布置较大的元件：大型元件通常需要较多的空间，因此应该首先放置。
将它们放置好之后，剩下的空间可以用来布置较小的元件。
2. 将相互连接的元件放在靠近的位置：将需要连接的元件放置在离得比较近的位置，这样可以减少走线的长度，提高电路的性能。
3. 避免元件之间的干扰：将具有较高电压或较大电流的元件或信号线远离其他敏感元件或信号线。
这可以帮助降低干扰和噪声。
4. 确保适当的散热：对于需要散热的元件，例如功率放大器或处理器，需要它们附近有足够的散热空间。
布局完成后，就可以开始布线了。
布线是将布局好的元件通过导线连接起来。
在布线过程中，需要考虑信号的传输质量、电磁兼容性和布线密度。
以下是一些布线的技巧：1. 使用短且直的走线：短而直的走线可以减少信号损耗和干扰。
避免走线过长，尽量选择直线路径。
2. 不要将高速信号线与高功率线靠得太近：高速信号线会受到高功率线引起的干扰。
为了提高信号完整性，应将它们保持一定的间距。
3. 交错布线：将上层和下层交错布线可以减少电磁干扰，提高布线密度。
4. 使用地平面和电源平面：地平面和电源平面可以提供良好的电磁屏蔽和电流传输。
在布线时，确保布置足够的地平面和电源平面。
5. 避免走线的交叉：交叉的走线容易产生串扰和干扰。
SoC 简介
第1 章SoC 简介近10 年来，无论是消费类产品如电视、录像机，还是通信类产品如电话、网络设备，这些产品的核心部分都开始采用芯片作为它们的“功能中枢”，这一切都是以嵌入式系统技术得到飞速发展作为基础的。
SoC (System on Chip，片上系统) 是ASIC(Application Specific Integrated Circuits) 设计方法学中的新技术，是指以嵌入式系统为核心，以IP 复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成芯片。
狭意些理解，可以将它翻译为“系统集成芯片”，指在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O 等功能，包含嵌入软件及整个系统的全部内容；广义些理解，可以将它翻译为“系统芯片集成”，指一种芯片设计技术，可以实现从确定系统功能开始，到软硬件划分，并完成设计的整个过程。
1.1 SoC1.1.1 SoC 概述SoC 最早出现在20 世纪90 年代中期，1994 年MOTOROLA 公司发布的Flex CoreTM 系统，用来制作基于68000TM 和Power PCTM 的定制微处理器。
1995 年，LSILogic 公司为SONY 公司设计的SoC，可能是基于IP ( Intellectual Property)核进行SoC 设计的最早报道。
由于SoC 可以利用已有的设计，显著地提高设计效率，因此发展非常迅速。
SoC 是市场和技术共同推动的结果。
从市场层面上看，人们对集成系统的需求也在提高。
计算机、通信、消费类电子产品及军事等领域都需要集成电路。
例如，在军舰、战车、飞机、导弹和航天器中集成电路的成本分别占到总成本SOC 设计初级培训（Altera篇）2的22％、24％、33％、45％和66％。
随着通讯行业的迅猛发展和信息家电的迅速普及，迫使集成电路产商不断发展IC 新品种，扩大IC 规模，增强IC 性能，提高IC 的上市时间(Time to maeket) ，同时还需要实现品种的通用性和标准化，以利于批量生产，降低成本。
集成电路布图自动布线技术研究
集成电路布图自动布线技术研究集成电路布图自动布线技术是一种能够实现电子元器件布线自动化的技术，该技术通过创建一个基于算法的布线方案，根据布线方案自动生成电子元器件之间的电路连接。
目前的芯片设计和工艺都已经发展到了一个非常高的水平，需要更高效、更快速、更准确的电路布线方法。
首先，了解何为电子元器件布线。
在电路板中，各种电子元器件之间需要进行布线以连接彼此。
电子元器件的数目和密度越来越高，这使得手动进行电路布线成为了更加困难的任务。
在集成电路板上，单个元件可能有成千上万条连接线，需要复杂的算法和过程来分析和设计。
自动布线技术可以取代手动布线，使用计算机软件根据预定义的规则和约束，去创建电路板布局来达到最优解。
其次，自动布线技术的发展历程。
这项技术的根源可以追溯到20世纪60年代，当时，自动布线技术是为了更好地控制电路元器件之间的距离和布局，以促进性能和可靠性的提高。
从60年代开始，自动布线软件公司和学术机构就一直在开展相关研究。
最近几年，随着技术上的不断进步和算法的逐渐优化，自动布线技术也取得了更好的进展。
再次，自动布线技术的实用化。
使用自动布线技术，不仅仅能够大幅减少人力资源和成本，还可以在芯片设计和生产过程中加快生产速度和提高品质。
在设计电路板时，自动布线技术能够优化电路连接，最大限度地降低噪声和串扰。
在电路板的生产过程中，自动布线技术能够减少布线错误，降低电路失效率，并减轻对人力资源的依赖。
最后，自动布线技术的应用前景。
目前，随着电子产业的快速发展，电子产品的需求不断提升，并且产品的纷繁化、复杂化让电路布线问题变得更为困难。
因此，自动布线技术的应用已经成为了不可避免的趋势。
我们相信，在未来，研究自动布线技术会成为越来越重要的课题，将会朝着更加高效、准确、自动化的方向发展。
综上所述，集成电路布图自动布线技术是一个不断发展和壮大的领域。
虽然仍面临一些挑战和技术难点，但可望在不远的将来取得更大的进展。
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一些时钟树的实例
第6章 自动布局布线及SOC简介
路 漫 漫 其 修 远 兮 吾 将 上 下 而 求 索
不含时钟树
零歪斜时钟树
可变时间时钟树
2020/7/24
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第6章 自动布局布线及SOC简介
时钟树插入及增加驱动器
时钟信号延时与具体的版图密切相关，所以在逻辑综合 的时候一般忽略时钟的处理，而在布局布线设计中进行 插入时钟树操作。
第6章 自动布局布线及SOC简介
6.1 自动布局布线 6.2 SOC的技术简介 6.3 VLSI设计发展方向
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1
路 漫 漫 其 修 远 兮 吾 将 上 下 而 求 索
2020/7/24
第6章 自动布局布线及SOC简介
LogiPclascyenmtehnestis Routing
路 系统中的时钟负载很大，而且遍布整个芯片。这样就造成
漫 漫 其
了 较 大 的 本 地 时 钟 间 的 相 对 延 时 ， 也 叫 时 钟 偏 斜 (Clock
修 远
Skew)，时钟偏斜严重影响电路的同步，会造成时序紊乱。
兮
吾 将 上
延时
延时最大
下
而
求索cd来自芯片平面b2020/7/24
a
时钟输入
延时为零
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⑥ 输出结果
第6章 自动布局布线及SOC简介
所有检查验证无误，布图结果转换为GDSII格式的掩膜文 件。
路 漫
然后通过掩膜版发生器或电子束制版系统，将掩膜文件
漫 其
转换生成掩膜版。
修
远
兮 吾
⑦
后仿真
将
上
下 而
后仿真是指版图完成后提取芯片内部寄生参数后的得到
求
索
最准确的门延时和互连线延时的仿真。
将
上 下
Components的TSMC0.25um CMOS标准单元库和输入/
而 求
输出单元库)
索
➢ 标准逻辑单元库的库单元种类繁多，形式多样，以满
足不同阶段的ASIC设计的需求
➢ 设计约束
➢ 芯片的总体功耗、时序要求和面积
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② 布局规划、预布线、布局
第6章 自动布局布线及SOC简介
Silicon Ensemble，其中，Block Ensemble适用于宏单元的自动布局
布线，Cell Ensemble适用于标准单元或标准单元与宏单元相混合
的布局布线，Gate Ensemble适合于门阵列的布局布线，Silicon
Ensemble主要用在标准单元的布局布线中。
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在深亚微米设计中，合理的总体布 局规划可以提高综合的连线延迟模 型的准确性，从而更快的达到时序 收敛，减少设计的重复。
6
预布线
第6章 自动布局布线及SOC简介
预布线的目的就是要在版图设计上为布线留必要的通道
预布线包括宏单元的电源、地、信号的布线，焊盘单元 的布线及芯片核心逻辑部分的电源环、电源网络的布线
远
网表形式存在。
兮
吾
硬核
将 上 下
是指在性能、功率和面积上经过优化并映射到特定工艺技术的可复用 模块。它们以完整的布局布线的网表和诸如GDSII（一种版图数据文
而 求
件格式）格式的固定版图形式存在。
索
分类 软核 固核 硬核
可移植性 好 中 差
联合性 高 中 低
易用性 高 中 低
价格 高 中 低
2020/7/24
后仿真包括：逻辑仿真、时序分析、功耗分析、电路可 靠性分析等
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第6章 自动布局布线及SOC简介
6.2 SOC技术简介
基本概念
➢ SOC：System on chip 片上系统系统集成芯片
路 漫
➢ Soc基本特征：
漫
其 修
① SOC是VLSI技术的最新产物。
远 兮
② SOC是实现现代电子系统的重要途径。
将 上
硬件
下 而
软件
求 索
测试等学科
各领域的界线越来越模糊，趋向融合。
SOC芯片的设计同样按层次划分，与VLSI 设计方法一致，同样分为：
系统设计、
行为设计、
结构设计、
逻辑设计、
索
➢ 晶振单元
➢ 直流电压转换器(DC-DC converter)
➢ I/O模块
➢ 无线传输模块
➢ 图像处理模块
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路 漫 漫 其 修 远 兮 吾 将 上 下 而 求 索
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第6章 自动布局布线及SOC简介
SOC组成结构
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路 漫 漫 其 修 远 兮 吾 将 上 下 而 求 索
a) 设计规则检查(DRC, Design Rule Check)
设计规则是以器件的特征尺寸为基准，根据制造工艺水
平及其它考虑，制定出的一整套关于各掩膜相关层上图
形自身尺寸及图形间相对尺寸的允许范围。
路 漫 漫
设计规则检查则是检查版图中各掩膜相关层上图形的各
其 修
种尺寸，保证无一违反规定的设计规则。
能的要求下，在指定的区域内完成所需的全部互连，同
时尽可能地对连线长度和通孔数目进行优化。
路
漫 漫
完成预布线以后，一些特定网络的布线，如时钟、总线
其 修
等一些关键路径需要严格保证其时序要求；在布线中，
远 兮
这些关键路径的布线被赋予较高的优先级，有时甚至进
吾 将
行手工布线。
上 下
全局布线
而
求 索
➢ 布线工具首先把版图区域划分为不同的布线单元，同
远
兮 设计规则的范围很宽，项目繁多，但其中多数规则是关
吾 将
于图形边与边之间的距离规范，包括宽度检查、面积检
上
下 而
查、内间距检查和外间距检查。
求
索
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第6章 自动布局布线及SOC简介
b) 电学设计规则(ERC, Electronic Rule Check)
电学设计规则检测出没有电路意义的连接错误，（短路、 开路、孤立布线、非法器件等），介于设计规则与行为 级分析之间，不涉及电路行为
吾 将
VLSI设计的自动布局、布线必须借助EDA工具完成
上
下 而
比较著名的自动布局、布线工具：AVant！/Synopsys的ApolloII、
求
Cadence、Synopsys、Mentor等公司的工具。
索
在Cadence中进行布局规划的工具为Preview，进行自动布局布线
的引擎有四种：Block Ensemble、Cell Ensemble、Gate Ensemble和
9
第6章 自动布局布线及SOC简介
时钟树
时钟树综合就是为了保证时钟的设计要求，对芯片的时钟 网络进行重新设计的过程，包括:
➢ 时钟树的生成
路 漫 漫
➢ 缓冲的插入
其 修
➢ 时钟网络的分层
远
兮 吾
时钟网络形式
将
上 下
➢ 最常用的时钟网络是H-树和平衡树
而
求
时钟源
索
时钟树主干
时钟树主干
时钟源
最常用的两种时钟网络
为了实现时钟延时的总体平衡，对时钟信号进行树状插
路 漫
入驱动(buffer)。
漫
其
修
远
兮
吾 将 上 下 而 求 索
一个插入驱动的时钟分配树
2020/7/24
DEC Alpha 21164 CPU时钟树的例子
12
第6章 自动布局布线及SOC简介
④ 布线
布线是根据电路连接的关系，在满足工艺规则和电学性
吾
③ SOC技术涉及：
将
上 下
a) 集成电路制造技术；
而 求
b) 设计技术；
索
c) 电子系统设计理论；
d) 软件工程等。
④ SOC芯片采用超深亚微米（VDSM）或纳米IC制造技术。
⑤ SOC的复杂性！绝大多数设计厂商不可能覆盖全部技术领域，不 可能也没有必要在设计上完全采用自主设计方法。
⑥ 大量采用IP核来完成设计已成为一种趋势。
➢ 按设计阶段划分
➢ 逻辑综合库 ➢ 单元的仿真库 ➢ 物理版图库 ➢ 延时模型库
4
① 数据准备和输入
第6章 自动布局布线及SOC简介
➢ 网表(netlist):
路
➢ 由逻辑综合工具生成的，以标准逻辑单元表示的逻辑
漫 漫 其
网络（EDIF网表）
修 远
➢ 标准逻辑单元库/工艺库：
兮
吾
➢ 由EDA/Foundary厂商合作提供；如：Artisan
时建立布线通道；
➢ 对连线的网络连接方向和占用的布线资源(布线通道和 过孔)、连线的最短路径等进行确定；
➢ 对布线的拥塞程度进行估计，调整连线网络过度拥塞 的部分。
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⑤ 版图检查与验证
版图
第6章 自动布局布线及SOC简介
路
漫 漫
设计规则检查
网表与参数提取
其 修
原理图网表
远
兮
吾
版图网表
路
漫 漫
布线通道的不同划分
其
修
远
兮
吾 将 上 下 而 求 索
电源分配一般结构
某32位微处理器电源总线
2020/7/24
7
布局
第6章 自动布局布线及SOC简介
布局就是进行网表中单元的放置，这一步可以使用综