标准单元库设计流程
单元库设计说明
标准单元设计标准单元设计 (1)标准单元基本概念 (1)标准单元基本类型 (1)标准单元设计 (2)格点的设置 (4)垂直水平布线格点 (5)标准单元设计模板 (7)标准单元PIN脚示例 (8)标准单元基本概念集成电路设计单元库是集成电路设计所需单元符号库、单元电路结构库、版图库、电路性能参数库、功能描述库、设计规则和器件模型参数库的总称。
从系统行为描述、逻辑综合、逻辑功能模拟，到时序分析、验证，直至版图设计中的自动布局、布线，都必须有一个内容丰富、功能完整的单元库的支持。
另一方面，在自底向上的设计流程中，则是从单元库中一个个具体单元开始，逐步构成各级功能模块，直至整个系统。
随着集成电路工艺技术的迅速发展，制造工艺向超深亚微米和纳米迈进。
系统级芯片(SOC)的规模越来越大，系统级芯片的设计越来越复杂。
采用全定制设计提高了设计的性能和密度，但是成本太高。
尽可能使用已验证的可重复使用的IP库，是缩短设计周期，保证设计一次成功，降低系统级芯片成本的关键。
标准单元库是IP库中最基本的一种。
基于单元的设计的优点是对于一个给定的工艺，单元只需要设计和验证一次，而后就可以重复利用许多次，因此分摊了设计成本。
为了缩短设计过程并使设计自动化，基于单元的设计愈来愈受青睐。
标准单元库在基于单元的设计中地位十分重要，是设计的基础，它为基于单元的设计流程的各个阶段提供支持，对设计的性能、功耗、面积和成品率至关重要。
标准单元基本类型通常标准单元库中的标准单元按功能分类一般分为如下几种：1.逻辑门：如与门、或门、与非门、或非门、与或非门、或与非门、异或门及混合逻辑门等。
每种单元又包括多种驱动形式。
2.驱动单元：驱动单元有正向驱动和反向驱动两种形式，每种驱动单元可以有四种不同的输出负载能力。
3.时序单元：如触发器、锁存器、移位寄存器等。
其中触发器又包括D触发器，RS触发器，JK触发器和T触发器，每种触发器还可以设有清零/置位端等。
集成电路设计流程及方法
– 对设计正确性提出更为严格的要求 – 测试问题 – 版图设计：布局布线 – 分层分级设计(Hierarchical design)和模块
化设计
• 高度复杂电路系统的要求 • 什么是分层分级设计？
将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低 的设计级别，这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级 别；这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足 够低，也就是说，能相当容易地由这一级设计出的单元逐 级组织起复杂的系统。一般来说，级别越高，抽象程度越 高；级别越低，细节越具体
芯片成本CT：
CT
CD V
CP yn
CD：设计开发费用；CP:每片硅片的工艺费用；V为生产数量；y为成品率，n为每个
硅片上的芯片数目。
设计规则
IC设计与工艺制备之间的接口
– 制定目的：使芯片尺寸在尽可能小的前提下，避免线 条宽度的偏差和不同层版套准偏差可能带来的问题， 尽可能地提高电路制备的成品率
• 专用集成电路（ASIC：Application-Specific Integrated Circuit）（相对通用电路而言）
– 针对某一应用或某一客户的特殊要求设计的集成电路
– 批量小、单片功能强：降低设计开发费用
• 主要的ASIC设计方法：
– 门阵列设计方法：半定制
– 标准单元设计方法：定制
• 可编程的内部连线：特殊设计的通导晶体管和可 编程的开关矩阵
• CLB、IOB的配置及内连编程通过存储器单元阵 列实现
• 现场编程
– XILINX：用SRAM存储内容控制互连：允许修改 配置程序—— 存储器单元阵列中各单元状态—— 控制CLB的可选配置端、多路选择端 控制IOB的可选配置端 控制通导晶体管的状态和开关矩阵的连接关系
杭电VLSI设计与实践-数字集成电路基本单元与版图
库单元设计 (续)
下图给出了一个简单反相器的逻辑符号、单元拓扑和单元版图 （a）逻辑符号 （b）单元拓扑 （c）单元版图
7.4 焊盘输入输出单元
7.4.1 输入单元 输入单元主要承担对内部电路的保护，一般认为外 部信号的驱动能力足够大，输入单元不必具备再驱动功 能。因此，输入单元的结构主要是输入保护电路。 为防止器件被击穿，必须为这些电荷提供“泄放通 路”，这就是输入保护电路。输入保护分为单二极管、 电阻结构和双二极管、电阻结构。
Vdd Vdd
B
A
Vss
Vss
（a）
（b）
多输入与非门
多输入或非门
[5] CMOS复杂逻辑门
1、Z=A（B+C）
该类电路的优点：在实现同样逻辑运算的基础上 大大节约器件的数量。
[6] 动态逻辑门电路（钟控逻辑门电路）
类似于前面看 到过的高阻的 三态倒相器. 当 φ1 为高电平 时，门工作就 象一个倒相器. OUT=/IN 当 φ1 为低电平 时, 输出变成高 阻态， OUT=‘Z’
输出单元 (续)
D. 漏极开路输出单元
漏极开路结构实现 的线逻辑
bi = A1 + A2 + ⋅ ⋅ ⋅ + AN = A1 + A2 Λ AN
输入单元(续)
单二极管、电阻保护电路 双二极管、电阻保护电路
7.4.2 输出单元
A. 反相输出I/O PAD 顾名思义，反相输出就是内部信号经反相后输出。 这个反相器除了完成反相的功能外，另一个主要作用 是提供一定的驱动能力。图9.37是一种p阱硅栅CMOS 结构的反相输出单元，由版图可见构造反相器的 NMOS管和PMOS管的尺寸比较大，因此具有较大的驱 动能力。
第八章 数字集成电路基本单元及版图
§7.数字电路标准单元库设计简介
基本设计思想 用人工设计好的各种成熟的、优化的、 版图等高的单元电路，存储在一个单元数据 库中。根据用户的要求，把电路分成各个单 元的连接组合。通过调用单元库的这些单元， 以适当方式把它们排成几行，使芯片成长方 形，行间留出足够的空隙作为单元行间的连 线通道。利用EDA工具，根据已有的布局、 布线算法，可以自动布出用户所要求的IC。
TTL基本电路及版图实现
IC的版图设计已把电路与工艺融为一体，所以一般 较复杂的电路都是先设计实验电路（或单元电路）， 根据实验电路的测试结果获得有关电路功能和电路 参数的第一手资料。 掌握了这些资料，就可以根据元件的不同要求，在 设计中采取相应措施，保证电路达到设计目标。必 要时还要调整个别工艺或工艺参数。 当然设计出的版图要经过实践不断加以改进，一个 成熟的产品一般都要经过几次改版才行。
υ1
T3 Re2
负 载
v0 －
－
GND
TTL基本电路
（1）电路组成 该电路由三部分组成： 1）由双极型晶体管T1和电阻Rb1组成电路输入级。 2）由T2、Re2和Rc2组成中间驱动电路，将单端信号 υB2转换为双端信号υB3和υB4。 3）由T3、T4、Rc4和二级管D组成输出级。 （2）工作原理 输入为高电平时，输出为低电平。 输入为低电平时，输出为高电平。
CMOS反相器
瞬态特性
我们希望反相器的上升时间和下降时间近似相等，则 需要使PMOS管的沟道宽度必须加宽到NMOS管沟道 宽度的 n / p倍左右。 V (t)
i
+VDD 0 t Vo(t) +VDD 0.9VDD 0.1VDD 0
td tf tr
微电子期末考试复习题(附答案)
1. 光敏半导体、掺杂半导体、热敏半导体是固体的三种基本类型。
( × ) 2．用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅，有时也被称为分子级硅。
(×)电子3. 硅和锗都是Ⅳ族元素，它们具有正方体结构。
( × ) 金刚石结构4．硅是地壳外层中含量仅次于氮的元素。
( × ) 氧5．镓是微电子工业中应用最广泛的半导体材料，占整个电子材料的95％左右。
( × ) 硅6．晶圆的英文是wafer，其常用的材料是硅和锡。
( × ) 硅和锗7．非晶、多晶、单晶是固体的三种基本类型。
( √ )8．晶体性质的基本特征之一是具有方向性。
( √ )9．热氧化生长的SiO2属于液态类。
( × ) 非结晶态10．在微电子学中的空间尺寸通常是以μm和mm为单位的。
( × )um和nm 11．微电子学中实现的电路和系统又称为数字集成电路和集成系统，是微小化的。
( × ) 集成电路12．微电子学是以实现数字电路和系统的集成为目的的。
( × ) 电路13．采用硅锭形成发射区接触可以大大改善晶体管的电流增益和缩小器件的纵向尺寸。
( √ )14．集成电路封装的类型非常多样化。
按管壳的材料可以分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装。
( √ )15．源极氧化层是MOS器件的核心。
( × ) 栅极16. 一般认为MOS集成电路功耗高、集成度高，不宜用作数字集成电路。
( × ) 功耗低，宜做17. 反映半导体中载流子导电能力的一个重要参数是迁移率。
( √ )18. 双极型晶体管可以作为放大晶体管，也可以作为开关来使用。
( √ )19. 在P型半导体中电子是多子，空穴是少子。
( × ) 空穴是多子20. 双极型晶体管其有两种基本结构：PNP型和NPN 型。
( √ )21. 在数字电路中，双极型晶体管是当成开关来使用的。
( √ )22. 双极型晶体管可以用来产生、放大和处理各种模拟电信号。
单元库设计技术
2. 一个标准单元库内的所有单元遵循同一的工艺 设计规则，也就是说，当工艺发生变化时，单元 库必须修改或重建。
3. 不论是局部逻辑或是完整的集成电路或系统，
用标准单元实现的版图采用“行式结构”，即各
标准单元排列成行。
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AND-OR=AND-NOR-NOT
AND-NOR
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NOT-NOT
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5.3 积木块设计技术
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5.4 单元库技术的拓展
一个集成系统应该包括几个部分：传感器，模拟 信号处理电路，模拟/数字变换，数字处理逻辑，数字/ 模拟变换，执行机构。
库单元从原则上讲可以是任何电路单元，并不仅仅 局限于逻辑单元。只要工艺能够兼容，库单元也可以是 线性电路、非线性电路或接口电路。
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NOT-BUFFER
5.2.3 输入、输出单元（I/O PAD） 不论是门阵列结构、标准单元结构或是以后
将介绍的积木块结构，它们的I/O PAD大部分都是 以标准单元的结构形式出现。
现代设计理论提倡将IC的内部结构和外部信 号接口分开设计。I/O单元不再仅仅是压焊块，而 是具有一定功能的功能块。
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这些I/O单元的一个共同之处是都有压焊块， 用于连接芯片与封装管座。
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1. 输入单元 输入单元主要承担对内部电路的保护，输
入单元的结构主要是输入保护电路。 简单输入保护分为单二极管、电阻结构和
双二极管、电阻结构。
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2. 输出单元
输出单元的主要任务是提供一定的驱动能 力，防止内部逻辑过负荷而损坏。另一方面， 输出单元还承担了一定的逻辑功能，单元具有 一定的可操作性。
高性能的标准单元库设计
２．１库的仿真验证主要分为逻辑功能验证和时序信 息验证 ２．１．１ 功能验证：（下面文档中所要验证的库为 ｍｙｌｉｂ．１ｉｂ）
功能验证是为了保证库中所有单元的逻辑功能正 确。考虑到库中各种单元在逻辑上都可以由反相器 ＩＮＶ和二输入或非门ＮＯＲ２搭建实现【３】。验证方法如 下：首先做一套只含有上述两个单元的库（９０ｌｄｅｎ． １ｉｂ），这两个单元经过了反复地验证确保逻辑功能正
ＤＦＦ是很重要的工作，ｃｋ—Ｑ的时间是关键路径延迟。 它的性能好坏直接影响到电路的工作频率； ４）为了缩小设计的面积和功耗，一些复杂的逻辑
单元也是必须的； ５）一些单元要有双向输出端口，一些单元要有异
步（同步）置位（复位）输入端，一些单元为了功耗和面 积的需要采用最小尺寸。 １．３高性能库所需的单元
是否正确。为了便于测试写一个顶层模块，把ｔｅ吼一ｃｉｒ－ ｃｕｉｔ和ｍａｐｐｅＱ—ｃｉｒｃｕｉｔ的每一对输出ＰＩＮ用异或门进 行连接。用仿真器ｖｅｒｉｌｏｇ—ｘＬ进行验证，如果输出端 有高电平“１”则说明逻辑功能不正确，需要查找问题 并且修正。 ２．１．２时序验证
非线性模型是目前工业界最广泛使用的延迟计算 模型。它采用差值估算的方法，例如茗轴作为输入信 号的的ｎ８ｉｔｉｏｎ的取值坐标，），轴作为输出负载电容的 取值点坐标，彳轴用于显示输出延迟和输出咖ｎｓｉｔｉｏｎ。
·８ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ·
航空计算技术
第３７卷 第３期
综合器就是依靠估算四个坐标点范围内的时问（内差 值）来进行静态时序分析的。对于估算差值落在坐标 平面范围外面的点（外差值），估算值误差会比较 大［４’５］，因此在综合器综合时常常当作违反ＤＲＣ规则 来处理，这种取值是要避免的。
数字IC设计流程与工具讲义
数字前端设计流程-13 形式验证
静态时序分析检查了电路时序是否满足要求，而 形式验证检查了电路功能的正确性。 形式验证工具本质是一个比较器！其功能就是比 较两电路功能是否完全一致。 由于在综合过程中电路节点名称可能改变，因此 可以使用形式验证工具找到RTL代码中节点在网表 中的对应节点。
数字前端设计流程-14 逻辑锥
vs CT Inserted Netlist)
Auto Routing
DRC,LVS,ECO
Formal Verification (ECO Netlist vs
CT Inserted Netlist)
Post-layout STA
Power check
Timing OK? Yes
Tape Out
DC MODELSIM MBISTARCHITECT FORMALITY
原理是相同的！ 关键在于综合目标不同。FPGA综合是将逻辑映 射为FPGA器件资源（如LUT,REG,MEM-BLOCK）； ASIC综合是将逻辑映射为标准单元（如门电路，寄 存器，RAM,ROM）。 标准单元库中对于某一种功能的门电路具有不同 版本，分别对应不同驱动能力。
数字前端设计流程-6 使用DC综合
步骤可以归纳为： 1.指定综合使用的库 2.根据符号库将行为级模型 转换为逻辑网表（由逻辑单 元GTECH构成） 3.指定综合环境以及约束 4.进行综合，根据约束将逻 辑网标映射为实际网表（由 标准单元构成） 5.优化网表 6.输出综合结果
数字前端设计流程-5 使用DC综合
ASIC的综合与FPGA的综合有什么不同？
= 0.41 = 0.46 = 0.41 = 0.46 = 0.41 = 0.46 = 0.41 = 0.96
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标准单元库设计流程
标准单元库是一个关键的设计资源，用于存储和提供可重复使用的电子元件和
电路布局。
设计高质量的标准单元库是实现电子设计自动化的关键步骤之一。
下面是标准单元库设计的流程：
1. 确定需求：确定标准单元库的目标应用和功能需求。
这需要与设计团队和使
用者合作，明确库中元件的类型、性能要求和特性。
2. 元件选择与整理：根据所需功能和性能，从现有的元件库中选择适合的元件，或者根据需要，由设计团队开发新的元件。
对于每个选择的元件，进行完整的整理和记录，包括元件的参数、特性和模型。
3. 元件建模：对于每个选择的元件，进行精确的数学建模和电路仿真。
这些模
型可以用于后续的电路设计和验证过程。
4. 元件验证：通过电路仿真和实际的电路测试，验证所选元件的准确性和可靠性。
这些验证步骤有助于评估所选元件是否满足标准单元库的设计要求。
5. 标准单元设计：根据需求，将验证通过的元件组合成标准单元，如逻辑门、
存储器单元等。
设计过程需要考虑元件的连接方式、性能和功耗等因素。
6. 标准单元验证：使用标准单元进行电路仿真和测试，以确保设计的正确性和
可靠性。
验证过程包括验证标准单元的电气特性和工作在不同工艺、温度和电压条件下的可靠性。
7. 文档编写：为标准单元库中的每个元件和标准单元编写详细的文档。
文档应
包括元件或标准单元的规格、特性、接口和使用方法等信息。
8. 批量生产：当标准单元库得到验证并且每个元件和标准单元都有适当的文档时，可以进行批量生产。
生产包括制造所需的芯片和电路板，并对其进行测试和质量控制。
9. 更新和维护：随着技术的进步和新的需求出现，标准单元库需要定期更新和维护。
这包括添加新元件、修改现有元件的参数以及更新文档和验证流程。
以上是标准单元库设计的流程。
通过按照这个流程进行，可以确保标准单元库的质量和可重复使用性，提高电子设计的效率和准确性。