集成電路設計的cad系統(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 B1BANOT： A1＝ (A)? B1=(B)? NAND： AB1=(A， B1)? BA1=(B， A1)? X=AXB(AB1， BA1)? 邏輯模擬算法 ?編譯方式和表格驅動方式 ?編譯方式 將邏輯電路編譯轉換成一組指令代碼 。 元件按功能 編成子程序 ， 按相互間連接關系以一定順序將子程 序連成總的可執行程序 。 ? 元件的計算順序編排 輸入端為 0級 ， 元件的級數等于所有前級元件最大級數加 1； ? 不考慮延遲 ， 只能模擬組合邏輯電路和可忽略競爭冒險的同步時序電路 邏輯模擬算法（續） ?表格驅動方式 將邏輯電路轉換成表格：電路描述表 、 元件類型表； 元件的扇入扇出表 、 信號線表 ? 考慮延遲 ， 可模擬異步時序 ? 采用面向事件模擬：與 VHDL模擬算法類似 ， 信號驅動的是元件 ? 對于較大規模的電路： 高速邏輯模擬器：軟件硬件化 ， 并行處理 ， 模擬速度提高 1000倍 電路模擬 ?電路設計：根據電路性能確定電路結構和元件參數， 沒有自動設計軟件 設計人員根據電路性能要求 ， 初步確定電路結構和元件參數 ，利用電路模擬軟件進行模擬分析 ， 判斷修改 ?電路模擬： 根據電路的拓撲結構和元件參數將電路問題轉換成適當的數學方程并求解 ， 根據計算結果檢驗電路設計的正確性 模擬對象：元件 優點： 不需實際元件 、 可作各種模擬甚至破壞性模擬 電路模擬（續） ?在集成電路設計中起的作用： ? 版圖設計前的電路設計 ， 保證電路正確 (包括電路結構和元件參數 ) ? 有單元庫支持：單元事先經過電路模擬 ? 無單元庫支持的全定制設計：由底向上 ， 首先對單元門電路進行電路設計 、 電路模擬 ， 依此進行版圖設計 ， 直至整個電路 ? 后仿真：考慮了寄生參數 ， 由電路模擬預測電路性能 ?典型軟件： SPICE、 HSPICE ?以 SPICE為例 ? 電路模擬的基本功能 ? 軟件基本結構 ? 電路描述 電路模擬的基本功能 ? 可處理的元器件： 電阻、電容、電感、互感、獨立電流源、電壓源、傳輸線、四種受控源、四種器件（二極管、雙極管、結型場效應管、 MOS） 等 ? 可完成的分析功能： ? 直流分析：典型的是求解直流轉移特性 (.DC)， 輸入加掃描電壓或電流 ， 求輸出和其他節點 （ 元件連接處 ） 電壓或支路電流；還有 .TF、 .OP、 .SENSE ? 交流分析 (.AC)：以頻率為變量 ， 在不同的頻率上求出穩態下輸出和其他節點電壓或支路電流的幅值和相位 。 噪聲分析和失真分析 ? 瞬態分析 (.TRAN)：以時間為變量，輸入加隨時間變化的信號，計算輸出和其節點電壓或支路電流的瞬態值。 ? 溫度特性分析 (.TEMP)：不同溫度下進行上述分析，求出電路的溫度特性 ?電路模擬軟件的基本結構 五部分組成：輸入處理、元器件模型處理、建立電路方程、方程求解和輸出處理 電路模擬軟件的基本結構 ?輸入處理：主要完成對輸入文件進行編譯，詞法語法檢查、存儲輸入數據、其他（元件預處理等） ? 模型處理：元器件的數學模型：用數學公式描述器件的電流電壓特性 、 與物理參數和工藝參數的關系 主要是非線性元件的模型：如 MOS、 BJT、 二極管等 這些模型編入模型庫 ， 可調用；也可自行定義后加 入模型庫 電路模擬的精度：模型精度 、 參數選取 電路模擬軟件的基本結構（續） ? 建立電路方程 根據電路結構 、 元件參數 、 分析要求 ， 建立方程 依據的基本原理是歐姆定律和基爾霍夫定律 （ 解釋 ） 建立的方法很多 ， 以節點法為例 ? 方程求解 數值解法：線性代數方程組解法 、 非線性方程組解法 、 常微分方程組解法 線性電路的直流分析：選主元的高斯消去法或 LU分解法 非線性電路的直流分析：對非線性元件進行線性化處理 ， 迭代方法 交流分析：線性電路 、 非線性電路 ， 處理同上 瞬態分析：常微分方程組 ， 通過數值積分轉換 ? 輸出處理： 選擇輸出內容和輸出方式 （ 表格和曲線 ） 電路描述 ? 較大規模電路，一般用 電路圖輸入 ，相應的編譯程序轉換為電路描述語言再進行模擬。 電路描述語言 ：描述電路結構、元件參數、器件模型、電路運行環境、分析類型和輸出要求等 ?電路描述前首先要畫好電路圖 ， 節點編號 （ 接地節點零號 ， 其他正整數 ） ?SPICE的描述語言： ? 電路拓撲 （ 網表 ） ? 采用模型 （ 元件屬性 ） ? 仿真內容控制 電路描述舉例 V C CM1M2V I N123CMOS INVERTER DC TRANS. CHARACTERISTICS VCC 2 0 5 VIN 1 0 M1 3 1 2 2 MOD1 L=2U W=18U M2 3 1 0 0 MOD2 L=2U W=10U .MODEL MOD1 PMOS LEVEL=3 VTO= ?1 NSUB=2E15 UO=166 .MODEL MOD2 NMOS LEVEL=3 VTO=1 NSUB=2E15 UO=550 .DC VIN 0 5 .PLOT DC V(3) .END 元件語句： 元件名 與之相連的節點號（ D， G， S， G） 元件參數 (模型名，模型語句與元件語句分開 ) ? 相比與 SPICE， HSPICE特點 ? 快速收斂； ? 具有多種精確的器件模型； ? 采用層次化方法命名節點； ? 可以為多種分析類型輸出波形圖； ? 可以依據電路性能要求和測量數據進行 參數優化 ，自動產生模型參數和元器件值； ? 具有良好的建立單元庫的功能； ? 可以進行統計容差分析，分析元件及模型參數變化對電路性能的影響； ? 允許 MontoCarlo分析，支持最壞情況 (worsecase)設計 ? PSPICE特點 ? 允許用戶改變內建器件模型 ? 模擬 A/D D/A靈活 ? MC 模擬 作業： 1. 試述面向事件的模擬算法的基本思路。 2. 列出邏輯模擬中的主要延遲模型，并給出簡單說明。 3. 用 SPICE模擬軟件模擬一個 E/D NMOS反相器的直流輸出特性，請寫出相應的輸入文件。 時序分析 ?邏輯模擬的基本單元是門或功能塊，一定程度上反映競爭、冒險等現象，模擬速度比 SPICE快三個量級，但精度不夠，各節點電流、電壓不知 ?電路模擬的基本單元是晶體管、電阻、電容等元器件，可以較精確地獲得電路中各節點的電壓或電流，但對于較大的電路，很多的迭代求解需要很大的存儲空間和很長的計算時間 ? 時序分析介于兩者之間，可提供詳細的波形和時序關系，比 SPICE快二個量級，精度低 10%，但比帶延遲的邏輯模擬要高得多 ?器件級時序分析： ? 基本原理：簡化了器件模型 ， 采用查表技術 ， 關鍵電學量與工作條件的關系以表格形式反映 ? 算法上：單步迭代 ， 不求解聯立方程 ， 超松弛牛頓迭代法加速收斂 ?混合模擬：結合三者特點 ， 對影響電路性能的關鍵部分進行電路模擬 ， 其他部分用邏輯模擬和時序分析 版圖設計的 CAD工具 ?版圖設計： 根據電路功能和性能要求及工藝限制（線寬、間距等），設計掩膜版圖 輸入：可以是原理圖 、 網表；可以直接編輯版圖 輸出：版圖 ?版圖設計的重要性： ? 電路功能和性能的物理實現 ? 尺寸減小后 ， 連線延遲直接決定芯片速度 。 布線方案 、 從而布局方案很重要 —— 芯片面積 、 速度 ? 版圖設計的目標： 連線全部實現，芯片面積最小，性能優化（連線總延遲最小） ?CAD工具分類（按工作方式分）：自動設計、半自動設計、人工設計；版圖驗證與檢查 用的大多是啟發式算法 版圖的自動設計 ?概念：通過 CAD軟件，將邏輯描述自動轉換成版圖描述 ?成熟的自動版圖設計包括基于門陣列、標準單元、PLA的布圖系統， BBL布圖系統也在發展中 ?典型的 IC CAD軟件，如 Cadence、 Mentor、Compass、 Panda等設計系統中都有自動版圖設計功能 自動版圖設計過程 邏輯劃分 布局 布線 設計檢驗輸出輸入人機交互單元庫布圖規劃自動版圖設計過程（續） 邏輯劃分 ?概念：功能劃分 ?原則：功能塊面積和端子數滿足要求 ， 使功能塊數目或總的外連接數最小 ?基本思想：連接度大的元件放在同一功能塊中 ?劃分算法：簡單連接度法 、 分配法 、 Lin法等 布局規劃 ?布局規劃：根據電路網表、估計的芯片的大體面積和形狀、各功能塊的大體形狀面積、功能塊的數目、輸入 /輸出數目等，對設計的電路進行 物理劃分和預布局 。先進行初始規劃（ initialize floorplan）， 產生輸入 /輸出行，單元區行以及布線網格等，然后進行行調整、芯片面積調整、布線網格調整，并進行預布局，初步確定各功能塊的形狀面積及相對位置、 I/O位置以及芯片形狀尺寸，而且可以從總體上考慮電源、地線、數據通道分布（ datapath plan） 自動布局 ?布局概念： 按電路功能、性能、幾何要求，放置各部件 ?目標： 芯片面積最小、性能優化 ?過程： 初始布局、布局迭代改善 ? 初始布局：單元選擇：與已安置單元連接度最大的單元；向前看 U步 ?單元安置：選擇與已安置單元距離最短的位置作為選出單元的安置位置 ?（連線長度計算方法： 最小生成樹；最小斯坦納樹；最小鏈；最小矩形半周長） ? 布局迭代：選擇一個單元或單元集，將位置與候選位置交換，對新布局計算判斷 ?判斷標準：連線總長度、布線均勻性 自動布線 ? 概念：滿足工藝規則 、 布線層數限制 、 線寬 、 線間距限制和各線網可靠絕緣等 ， 根據電路的連接關系進行連線 ， 100%連通 ， 使芯片面積最小 ?布線質量評價： ? 布通率 100% ? 布線面積最小 ? 布線總長度最小 ? 通孔數少 （ 解釋 ） ? 布線均勻 ?布線算法 ? 面向線網的算法： ?先定線網的布線順序 ， 每次布一個線網 ， 達到當前最優或準優 ?問題：存儲量大 ， 難以布線網多 、 布線密度大的情況 ?線網定序法：短線法 、 干擾度法