<<
>>

Конструкторское проектирование СБИС

На этом этапе схемное представление каждой компоненты преобразуется в геометрическое представление — множество гео­метрических образов, которые выполняют требуемые логические функции соответствующих компонентов. Соединения между раз­личными компонентами рассматриваются как геометрические образы. Геометрическое представление называется топологией схемы (Layout) [1.2]. В процессе конструкторского проектирова­ния топологии схемы обязательно предусматриваются различные типы верификации.

Результатом конструкторского проектирования является набор фотошаблонов (масок), необходимых для изготовления СБИС.

В зависимости от типа конструкции и технологии изготов­ления методы конструкторского проектирования СБИС делятся на два класса: методы на основе заказных СБИС и методы на основе полузаказных СБИС [1.1, 1.2, 1.9].

К заказным СБИС относят схемы, в которых все функци­ональные элементы и связи между ними полностью разраба­тываются в соответствии с заданиями пользователей. Заказные СБИС включают полную «с нуля» разработку топологии. Базо­выми элементами являются твердотельные структуры активных и неактивных элементов (транзисторы, резисторы, диоды, линии задержки и т. д.). Результатом конструкторского проектирова­ния является топологический чертеж, на котором отражены как твердотельные структуры, так и коммутации между ними. При изготовлении заказной СБИС изготовляются все элементы топо­логического чертежа.

Проектирование заказных СБИС является трудоемким и до­рогостоящим процессом. Заказная СБИС целесообразна в том случае, если выпускается очень большими сериями. С другой стороны, заказные СБИС позволяют добиться более высоких значений функциональных характеристик, чем рассматриваемые ниже полузаказные СБИС. При проектировании заказных СБИС обычно используют иерархический подход, при котором схе­ма разбивается на блоки, те, в свою очередь, на подблоки и т. д. [1.9].

Полузаказные СБИС делятся на СБИС на основе стандарт­ных ячеек, базовых кристаллов, программируемых логически матриц.

При проектировании СБИС на основе стандартных ячеек предварительно формируется библиотечный набор ячеек. Каждая

ячейка реализует заданный набор функций и для нее разработан топологический чертеж (как твердотельных структур, так и ком­мутаций). Любая проектируемая схема покрывается ячейками библиотечного набора.

При проектировании СБИС на основе базового кристалла предполагается использование заготовок чипов, на которых уже реализованы твердотельные структуры (как правило, это венти­ли), размещенные стандартным образом. В этом случае топо­логический чертеж ячейки из библиотечного набора содержит только компоненты коммутации между вентилями для реализа­ции некоторых функций.

Проектирование СБИС на основе программируемых логиче­ских матриц предполагает использование заготовок чипов, на ко­торых стандартным образом реализованы твердотельные струк­туры (транзисторы), а также проводники для передачи логи­ческих сигналов и шины земли и питания. Определены точки возможного подключения транзисторов к проводникам и шинам. Задача программирования (проектирования) заключается в опре­делении точек, в которых транзисторы будут связаны с проводни­ками, после чего схема будет реализовывать заданную функцию. Подсоединение осуществляется с помощью сварки под действием импульса лазерного луча.

Входной информацией для конструкторского проектирования служат функциональные схемы, а выходом — топология схемы.

Основными этапами являются покрытие, разбиение, планирова­ние, размещение, трассировка, сжатие (компакция), экстракция и верификация [1.11].

Покрытие. Задача покрытия заключается в преобразова­нии исходной функциональной схемы в принципиальную, т. е. в схему соединения элементов (модулей), номенклатура кото­рых (библиотечный набор) задана. Известны функциональные и конструктивные параметры элементов набора, и априори они могут реализовать все функции схемы. В результате покрытия функциональной схемы элементами заданного набора получается электрическая принципиальная схема, функционально эквива­лентная исходной [1.9].

Разбиение. СБИС может содержать несколько миллионов транзисторов, поэтому в связи с ограниченными возможностя­ми вычислительных средств (память, скорость) топология всей схемы не может быть спроектирована в целом. Для этого вы­полняется разбиение схемы на части и группирование компонен­тов в блоки. Основными параметрами разбиения электрической

схемы СБИС являются: размер и число блоков, количество со­единений между блоками, величина задержек сигналов и т. п. В результате разбиения формируется множество блоков и список соединений между ними. В очень больших схемах (n > IO6, где n — число элементов схемы) используется иерархическая структура разбиения [1.2, 1.3].

Планирование и размещение. Задача планирования СБИС заключается в размещении на поле кристалла блоков, получен­ных на этапе разбиения, имеющих заданную площадь и не име­ющих фиксированных размеров. Блоки и кристалл имеют форму прямоугольников. При планировании решаются сразу две задачи: определяется взаимное расположение блоков друг относительно друга, т. е. их размещение, а также фиксируются размеры

каждого блока. В результате пла нирования строится план кристал ла, представляющий собой охваты вающий прямоугольник, разделен ный горизонтальными и вертикаль ными сегментами на прямоуголь ники, в которых следует поме стить соответствующие блоки. За метим, что прямоугольники не пе ресекаются между собой. В каче

стве плана кристалла часто исполь зуют план, получаемый путем рекурсивного использования «ги льотинного разреза», т. е. последовательного разрезания прямо­угольников на две части (рис. 1.2) [1.1].

Задача размещения заключается в определении для каждого элемента каждого блока конкретного места на поле кристалла. В связи с большой размерностью иногда задача планирования лучше выполняется инженером-конструктором, чем автоматизи­рованным способом. При планировании и размещении учитыва­ются такие характеристики, как длина связи, их распределение по полю кристалла, возможные временные задержки, количество критических связей, площадь и размеры кристалла. Основная цель размещения — это создание «наилучших условий» для последующей трассировки. Формального определения понятия «наилучших условий» нет, так как оно является расплывча­тым. Поэтому вводят критерии и оценки, оптимизация которых приводит к трассировке плат и кристаллов с заданным каче­ством. К настоящему времени при размещении распространение получили оценки суммарной длины соединений. Более предпо­

чтительными являются оценки, учитывающие число неизбеж­ных пересечений соединениями некоторых линий или контуров («критических сечений») на коммутационном поле. На их основе выполняется распределение ресурсов коммутационного поля для трассировки.

Трассировка. Задача трассировки может быть сформули­рована следующим образом.

По заданной схеме соединений проложить маршруты прохождения проводников на плоскости или нескольких плоскостях, чтобы реализовать заданные элек­трические соединения с учетом заранее введенных ограничений. Ограничениями могут быть: число слоев трассировки, размеры области трассировки, ширина проводников, минимальное рас­стояние между проводниками, максимальная длина связи, число переходов из слоя в слой и др. Задача трассировки наиболее тру­доемкая в общей проблеме автоматизации проектирования [1.4]. Это связанно с такими факторами, как огромная размерность задач, многообразие способов конструктивно-технологической реализации трасс, многокритериальность задачи, большое

число ограничений.

Рис. 1.3. Пример разбиения условного кристалла

В связи с большой сложно­стью при трассировке используется иерархический подход. В современ­ных системах автоматизированного проектирования СБИС используется двухуровневая трассировка — гло­бальная и детальная.

На первом этапе все простран­ство трассировки разбивается на об­ласти. На рис. 1.3 представлен при­мер разбиения условного кристалла. Заштрихованные области предназна­чены для размещения в них ячеек

(размещаемых элементов), не заштрихованные — для трассиров­ки. Задача глобальной трассировки заключается в распределении соединений по областям. При этом определяются списки соеди­нений, пересекающих границы областей.

Детальная трассировка заключается в реализации соедине­ний в каждой области.

Основными областями, формируемыми в процессе глобальной трассировки, является канал (рис. 1.4, а) и коммутационный блок (рис. 1.4, б).

Рис.1.4. Основные области, формируемые в процессе глобальной трассировки (а — канал, б — коммутационный блок)

Канал — это область трассировки, ограниченная двумя ли­нейками контактов. Контакты помечаются номерами связываю­щих их соединений. Соединения располагаются внутри области. Известны также списки соединений, пересекающих левую и пра­вую границы канала. Коммутационный блок — это прямоуголь­ная область, ограниченная четырьмя линейками контактов. Ино­гда для этих областей используют единое название — канал. Ос­новной целью при трассировке в канале является стопроцентная реализация соединений с минимизацией ширины канала. При трассировке соединений в коммутационном блоке его размеры зафиксированы, поэтому основная цель здесь — стопроцентная реализация соединений.

Основная цель глобальной трассировки — это оптимальное использование ресурсов коммутационного поля. Результатом рас­пределения соединений является создание в областях «благопри­ятных» условий для детальной трассировки.

Фактически каждая область трассировки ограничена зонами, в которых расположены ячейки. Новой тенденцией в конструк­торском проектировании является использование областей, рас­положенных над ячейками. Тогда некоторые соединения или их фрагменты могут быть направлены в область над ячейкой (over- the-cell),что приводит к разгрузке основных областей трассиров­ки (рис. 1.5). На рис. 1.5 Я1-Я9 являются ячейками кристалла, НЯО — область над ячейкой (надъячеечная область).

Детальная трассировка сначала выполняется в надъячеечных областях (НЯО), а затем в каналах и коммутационных блоках.

Одним из эффективных приемов снижения плотности об­ластей трассировки и их разгрузки является перераспределе­ние соединений между эквивалентными выводами вентилей. На рис.1.6, а показан эскиз трассировки в канале до перераспреде­ления соединений, на рис. 1.6, б — после перераспределения.

Рис.1.6. Эскиз трассировки в канале (а — до перераспределения соединений, б — после перераспределения соединений)

Обычно при двухслойной трассировке в канале сначала про­ектируется совмещенный в одной плоскости эскиз трассировки, а затем осуществляется размещение соединений по слоям с ми­нимизацией числа переходов между слоями.

Таким образом, при решении общей задачи трассировки ре­шаются задачи глобальной трассировки, перераспределения со­единений между эквивалентными выводами, трассировки в надъ­ячеечных областях, трассировки в канале, трассировки в комму­тационном блоке, разнесения соединений по слоям (рис. 1.7).

Важной задачей в конструкторском проектировании счита­ется планирование соединений на уровне СБИС. При этом вы­полняется проектирование глобальных связей и соединений (эти соединения выделяются в одну группу). Обычно эти глобальные соединения проектируются на самом верхнем слое металлизации кристалла, который имеет низкую задержку на единицу длины [1.1, 1.10].

Другой новой важной задачей является трассировка соеди­нений разной ширины. Разную ширину могут иметь не только соединения разных цепей, но также соединения одной цепи в за­висимости от слоя, в котором расположено соединение, и в зави-

Рис. 1.7. Задачи трассировки СБИС

симости от направления распространения соединения в пределах слоя.

Задача трассировки является хорошо изученной, и существу­ют сотни подходов к ее решению. Однако появление новых технологических решений в проектировании СБИС вызывает по­требность в разработке новых подходов к ее реализации.

Сжатие (компакция). Компакция — это задача сжатия топологии во всех направлениях таким образом, чтобы общая площадь кристалла была уменьшена. При сжатии элементы то­пологического чертежа (блоки) относятся к одной из трех групп.

Первую группу составляют блоки, имеющие фиксированные размеры и фиксированные позиции.

Ко второй группе относятся блоки, имеющие фиксированные размеры и нефиксированное расположение.

В третью группу входят блоки, которые могут перемещаться, а также подвергаться деформации. Блоки третьей группы моде­лируют электрические соединения.

Таким образом, сжатие осуществляется как с помощью пе­ремещения блоков, так и с помощью деформации отдельных блоков. Результатом сжатия является новое размещение компо­нентов топологии на кристалле, удовлетворяющее всем задан­

ным ограничениям. Это приводит к уменьшению длины связей, уменьшению временных задержек между компонентами схемы, повышению качества работы устройства. Кроме того, большее число СБИС может быть помещено на одной подложке.

Верификация. Этот этап заключается в контроле правиль­ности спроектированной топологии схемы. Близкое расположе­ние элементов топологии приводит к возникновению паразитных элементов, которые могут нарушить работу схемы. Процесс из­влечения из топологии паразитных элементов и их параметров называется экстракцией. Проверяются геометрические размеры, ограничения, временные задержки и другие параметры, влия­ющие на работоспособность схемы. Результаты экстракции мо­гут быть использованы для моделирования с учетом реальных физических параметров и соответствующей модификации схемы проекта [1.3, 1.8].

Конструкторское проектирование чаще всего реализуется на основе итерационных процедур, когда отдельные шаги и этапы могут повторяться в цикле [1.1, 1.9, 1.14]. На рис. 1.8 показан укрупненный процесс конструкторского проектирования тополо­гии СБИС.

В заключение следует подчеркнуть, что проектирование СБИС — сложный и дорогостоящий, занимающий много времени процесс, даже при наличии современных средств проектирова­ния.

Возрастание степени интеграции и сложности СБИС из-за непрерывного совершенствования технологий заставляет разра­батывать новые методики и средства проектирования СБИС.

Проектирование СБИС должно осуществляться в кратчай­шие сроки с наименьшими затратами.

Одним из путей достижения этих целей является полная автоматизация процесса проектирования с использованием пер­спективных информационных технологий и методов искусствен­ного интеллекта [1.15].

Исследования, проводимые в области искусственного интел­лекта, направлены в первую очередь на создание новых принци­пов обработки информации и решения задач. Важнейшей про­блемой является отыскание решений задач, для которых заранее не известен прямой путь решений. Обычно это связано с поиском в пространстве решений.

Одним из направлений дальнейшего развития интеллектуаль­ных систем проектирования, систем поддержки принятия про­ектных решений в условиях неполноты и противоречивости ин-

Рис. 1.8. Процесс конструкторского проектирования

формации стало введение адаптации в процесс поиска решений, переход от формализованных систем классических логик к адап­тивным моделям [1.16, 1.17].

Это открывает реальную возможность повысить эффектив­ность разрабатываемого математического и программного обес­печения и качества получаемых решений задач.

В этой связи авторы предлагают новую технологию созда­ния алгоритмов автоматизированного проектирования топологии СБИС, основанную на использовании эволюционных методов и принципов адаптации [1.16, 1,17].

Книга хороша, если автор гово­рит все, что должно, и так, как должно.

Аристотель

Список литературы

1.1. Naveed Sherwani. Algorithms for VLSI physical design automation. — Boston /Dordrecht/ London: Kluwer academic publishers, 1995.

1.2. Physical Design Automation of VLSI Systems ∕ Edited by T. Preas and M. Lorenzetti. — BCPC, Inc. USA: Menlo Park, 1988.

1.3. Казенное Γ.Γ.Основы проектирования интегральных схем и си­стем. — M.: Бином. Лаборатория знаний, 2005.

1.4. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / Под ред. М. К. Росо, Р. С. Уильямса и П.Аливиса- тоса. Пер. с англ. — M.: Мир, 2002.

1.5. Кравченко В., Радченко Д.SYNOPSYS — основные средства и возможности. — Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 5/2003.

1.6. Бухтеев А. Среда проектирования компании Cadence. — CHIP NEWS, #4(77), Апрель, 2003.

1.7. Лохов А. Средства проектирования СБИС компании Meritur Graphics. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 7/2003.

1.8. Щемелинин В.М. Автоматизация топологического проектирова­ния — М.: МИЭТ, 2001.

1.9. Курейчик В.М. Математическое обеспечение конструкторского и технологического проектирования с применением САПР. — М.: Радио и связь, 1990.

1.10. Автоматизация проектирования БИС. В 6 кн. / Под ред. Г. Г. Казеннова. — M.: Высшая школа, 1990.

1.11. Корячко В.П., Курейчик В. M., Норенков И.П. Теоретические ос­новы САПР. — M.: Энергоатомиздат, 1987.

1.12. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. Учеб­ное пособие. Под ред. О. В. Алексеева. — M.: Высшая школа, 2000.

1.13. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. — M.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.

1.14. Петухов Г. А., Смолич Г. Г., Юдин Б. И. Алгоритмические методы конструкторского проектирования узлов с печатным монтажом. — M.: Радио и связь, 1987.

1.15. Лебедев Б. К. Интеллектуальные процедуры синтеза топологии СБИС. — Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2θθ3.

1.16. Оптимизация на основе эволюционного и нейросетевого модели­рования / Под ред. В. М. Курейчика. — Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004.

1.17. Лебедев Б. К. Адаптация в САПР. — Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999.

2.

<< | >>
Источник: Курейчик В. В., Лебедев Б. К., Лебедев О. Б.. Поиско­вая адаптация: теория и практика. — M.: ФИЗМАТЛИТ,2006. — 272 с.. 2006

Еще по теме Конструкторское проектирование СБИС:

  1. Курейчик В. В., Лебедев Б. К., Лебедев О. Б.. Поиско­вая адаптация: теория и практика. — M.: ФИЗМАТЛИТ,2006. — 272 с., 2006
  2. ОПТИМИЗАЦИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
  3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1
  4. ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПТИМИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ
  5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  6. Выводы по первой главе:
  7. Разработка фондов учебных заданий, обеспечивающих достижение личностных результатов обучения в процессе опытно-экспериментальной работы
  8. ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО РАСЧЕТАМ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ И МЕТОДАМ ОПТИМИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
  9. ВВЕДЕНИЕ
  10. Основные нерешенные проблемы в развитии МИКФ Цели и задачи диссертационной работы
  11. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3
  12. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4