Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/VLSI/D19830825Elc020.shtml

Система структурного проектирования заказных СБИС

УДК 621.3.049.771.14.001.68:681.3

Боб Дуин (Bob Duyn)
Фирма VLSI Technology Inc. (Сан-Хосе, шт.Калифорния)

Стивен Тримбергер (Stephen Trimbreger)
Фирма VLSI Technology Inc. (Сан-Хосе, шт.Калифорния)

Bob Duyn, Stephen Trimbreger. Structured-design system takes over the complexities in VLSI circuits, pp. 127—130.

Описана высокоэффективная система автоматизированного проектирования (САПР) сверхбольших ИС с высокой плотностью упаковки. Специальные компиляторы элементов системы оптимизируют параметры и топологию функциональных блоков СБИС в соответствии с задаными требованиями, а редактор-компоновщик «собирает» их на кристалле и минимизирует его площадь.

Иерархическая система автоматизированного проектирования (САПР) значительно упрощает решение задачи разработки сверхбольших интегральных схем, в которых эффективно используется площадь схемных кристаллов. Система помогает неопытным пользователям разрабатывать заказные кристаллы, принимая на себя решение многих сложных задач, свойственных данному процессу проектирования. Действительно, работа с этой системой проектирования сверхбольших интегральных схем во многом похожа на работу с языком программирования высокого уровня: пользователь имеет дело со знакомым ему языком описания, а система преобразует входное задание в полностью готовый спроектированный кристалл.

До настоящего времени в распоряжении все увеличивающегося количества разработчиков систем, решивших воспользоваться экономическими и техническими преимуществами заказных ИС, были три возможности: схемы на базе вентильных матриц, схемы на базе стандартных элементов и полностью заказные схемы. Для первых двух подходов характерны высокий уровень автоматизации проектирования и короткие времена разработки схем, причем они совсем или почти совсем не требуют от конечного пользователя подробных знаний в области технологии и конструирования кремниевых ИС. Однако для проектирования полностью заказных схем обычно необходим высококвалифицированный специалист по интегральным схемам. В результате проектируемые потребителем кристаллы уступают по гибкости, эффективности и рабочим характеристикам тем кристаллам, которые можно получить с помощью полностью заказного проектирования.

Заложенная в системе новая методология проектирования, получившая название структурного проектирования заказных ИС, предоставляет в распоряжение создателей интегрированных систем все преимущества полностью заказных ИС. Этим специалистам требуются легко осваиваемые и простые в применении средства оперативного проектирования кремниевых кристаллов. В методе структурного проектирования заказных схем разработчики имеют свободный доступ к компиляторам элементов — средствам генерации общепринятых функциональных блоков высокого уровня, не предусмотренным в методах проектирования полузаказных схем. Речь идет, в частности, об арифметико-логических устройствах, блоках ЗУ и программируемых логических матрицах. Более того, в таких структурно проектируемых заказных кристаллах не приходится жертвовать плотностью упаковки или быстродействием схем, что позволяет получать более дешевые ИС по сравнению с аналогичными схемами на основе вентильных матриц или стандартных элементов.

В основу системы Loqicomp положен метод кремниевого компилятора, реализующий структурное заказное проектирование. Благодаря тому что пользователь вообще не имеет дела с детальным описанием геометрии фотошаблонов ИС на нижнем уровне проектирования, компиляторы элементов устраняют главные недостатки традиционного метода проектирования полностью заказных схем: большие сроки разработки и труд-ноконтролируемую высокую сложность проектов. Эти компиляторы представляют собой программы— ассемблеры оптимизированных схемных элементов с параметрами, заданными пользователем, поэтому они устраняют недостатки, свойственные традиционным методам проектирования на основе стандартных элементов или вентильных матриц: ограниченную гибкость и неэффективные топологические конфигурации.

Благодаря компиляторам элементов и другим возможностям метода структурного заказного проектирования инженеры, знакомые с методами проектирования ТТЛ-устройств, могут независимо и без посторонней помощи разрабатывать заказные логические кристаллы за несколько недель. Средства проектирования данной САПР ориентированы на иерархический стиль проектирования и способствуют его воплощению — прежде всего благодаря четко определенным интерфейсам между модулями системы, что играет принципиальную роль при выполнении сложных проектов. После проектирования можно изготавливать недорогие опытные образцы кристаллов, выполняя их в составе пластин, содержащих разные схемы нескольких разработчиков. Благодаря этому стоимость изготовления фотошаблонов и пластин со структурами ИС можно разделить между целым рядом потребителей.

Отдельные инструментальные средства проектирования, входящие в данную САПР на основе кремниевого компилятора, показаны на рис.1. Схемный редактор обеспечивает удобный интерфейс для разработчиков систем со знакомым для них языком описаний и имеет доступ к библиотеке компиляторов элементов. Эти компиляторы, состоящие из программных процедур, генерируют конкретные логические функции, оптимизированные под заданные требования к рабочим характеристикам. После завершения на схемном уровне описания всех межсоединений этих функциональных блоков выполняется проверка спроектированной принципиальной схемы. Эту проверку осуществляет моделирующая программа, работающая как в логическом, так и во временном режиме. Первый режим предусматривает логическое моделирование с единичными задержками в элементах, тогда как во втором моделируются задержки, обусловленные сопротивлениями и емкостями приборов и соединительных линий.

В процессе проектирования ИС от ввода принципиальной схемы до получения геометрии кристалла разработчики систем используют четыре показанных на рисунк
Рис.1. В процессе проектирования ИС от ввода принципиальной схемы до получения геометрии кристалла разработчики систем используют четыре показанных на рисунке средства проектирования. Все подробности разработки топологии схем на кремнии недоступны для пользователя — эту работу берут на себя компиляторы элементов, которые по простым заданным параметрам элементов генерируют конфигурацию фотошаблонов.

На следующем этапе с помощью редактора-компоновщика выполняется геометрическое проектирование схемы. При этом пользователь просто расставляет функциональные блоки, имеющиеся в его схеме. Затем система автоматически извлекает из описания принципиальной схемы всю конфигурацию межсоединений и проводит все нужные соединения на компоновочном чертеже. Другая часть редактора-компоновщика — блок уплотнения — сжимает эту правильно разведенную топологию кристалла до минимально возможного размера. Получаемая весьма быстро, но тем не менее достаточно эффективная конструкция заказной ИС освобождает разработчиков систем практически от всех побочных забот, позволяя им сконцентрировать все внимание на системном уровне проектирования.

Каждое из этих четырех основных средств проектирования сопряжено с гибкой системой «окна», которое дает пользователю возможность просматривать создаваемый проект и манипулировать его отдельными деталями и атрибутами. На экране можно получать любое количество окон произвольных размеров, размещенных в любом месте экрана и отображающих разные конкретные задачи проектирования. Меню команд системы вызывается при первой необходимости; для исполнения нужной команды к ней с помощью микроманипулятора типа «мышь» подводится курсор. В результате ввод команд путем печати их на клавиатуре практически исключается, и система сама руководит пользователем в процессе проектирования.

Схемный редактор вводит описание конструкции кристалла примерно таким же образом, как это делается при проектировании изделий на платах, — определяемые системой или пользователем функциональные блоки кристалла размещаются на схеме, им даются имена, они соединяются между собой и подвергаются всем необходимым манипуляциям (рис. 2). Иерархический подход позволяет работать с блоками высокого уровня, вызываемыми пользователем и реализуемыми в дальнейшем в виде конкретных логических функций.

Окно в схемный редактор обеспечивает средства для размещения графических обозначений схемных элементов, присвоения им имен, проведения соединений и вы
Рис.2. Окно в схемный редактор обеспечивает средства для размещения графических обозначений схемных элементов, присвоения им имен, проведения соединений и выполнения различных манипуляций. Компиляторы элементов автоматически выдают схемному редактору символические обозначения сгенерированных ими функциональных блоков.

Топологию всей проектируемой схемы можно построить, используя предусмотренные в данной САПР так называемые компиляторы элементов. При вызове одного из компиляторов схемный редактор автоматически генерирует оригинальное графическое представление данной конкретной функции, дополняя его перечнем входных/выходных сигналов и электрических характеристик. Скомпилированные блоки и блоки, заданные самим пользователем, можно сочетать нужным образом в иерархии любой глубины.

В системе имеются две доступные для пользователя библиотеки компиляторов: главный набор элементарных схемных функций и расширенная библиотека более сложных блоков. В первую из них входят различные буферы ВВ, регистры-фиксаторы и триггеры, а также блоки, выполняющие логические булевы функции, из которых можно составить любую ИС. В главную библиотеку входят и так называемые вспомогательные элементы для кремниевой мастерской, которые нужны изготовителю кристаллов для практической реализации схемы, — каналы скрайбирования, метки совмещения и проверки разрешающей способности и т.д.

В расширенную библиотеку входят обычна используемые функции повышенной сложности: счетчики, сумматоры и вычитатели, мультиплексоры, сдвиговые регистры, программируемые логические матрицы, блоки ПЗУ и ЗУ с произвольной выборкой и арифметико-логические устройства. Кроме того, генератор контактных площадок обеспечивает быстрое размещение и трассировку периферийных контактных площадок кристалла.

Все эти компиляторы идентичны друг другу в том смысле, что представляют собой программы автоматической генерации «кремниевых представлений» определенных конкретных функций,, рабочие характеристики которых задаются пользователем. Эти компиляторы написаны на языке VIP (VLSI implementation program — программа реализации СБИС), который базируется на языке Мэинсейл (Mainsail) фирмы Xidak Inc. Несмотря на свою внутреннюю сложность, для пользователя они представляют собой простые генераторы схемных функций. Все конкретные детали программной реализации компиляторов, как и детали топологии, генерируемой на уровне кремния, для пользователя полностью закрыты и недоступны (рис.3).

Для работы с компилятором элемента требуется ответить на запрос системы о конкретных значениях варьируемых параметров, например задать величину нагруз
Рис.3. Для работы с компилятором элемента требуется ответить на запрос системы о конкретных значениях варьируемых параметров, например задать величину нагрузочной емкости для буферного элемента (а). Этот компилятор представляет собой программу (б), которая генерирует нужную геометрическую конфигурацию фотошаблонов.

Компиляция топологии

При выборе конкретного компилятора из библиотечного меню система сама запрашивает у пользователя значения всех тех параметров, которые можно варьировать для данного элемента. Для простого элемента, например вентиля НЕ-ИЛИ, пользователь выбирает количество входов, расположение входов и выходов и одно из нескольких возможных значений быстродействия (нужное быстродействие элемента система получает путем варьирования размеров транзисторов,, входящих в его состав). Более сложные функции задаются еще более простыми способами — например, для счетчика или арифметико-логического устройства определяется количество разрядов, а для сдвигового регистра — направление сдвига и порядок тактовой синхронизации.

По параметрам, заданным пользователем, компилятор генерирует детальное описание топологии элемента на кремнии, которое получается на промежуточном языке описания топологии Калифорнийского технологического института CIF (Caltech Intermediate Form). Этот язык предназначен для описания геометрических примитивов топологии ИС. Однако пользователю никогда не нужно просматривать эту подробную информацию. Вместо нее компиляторы возвращают схемному редактору символические обозначе-чения блоков или вентилей и автоматически формируют списочные описания полученных схем на транзисторном уровне, которые требуются для моделирующих программ. Такая возможность представления сложных структур с задаваемой конфигурацией дает указанному методу существенные преимущества перед другими методами проектирования кристаллов ИС. В методе вентильных матриц получение сложных структур возможно только путем их построения из более простых функциональных блоков, вследствие чего площадь кристалла используется значительно менее эффективно. А такое преимущество компилятора, как возможность генерации целого набора различных версий одной и той же функции, означает, что для реализации всех разновидностей функций, нужных для разработчиков, требуется значительно меньшее число элементов как таковых. Это обстоятельство к тому же соответственно облегчает задачу организации и управления данными в библиотеке элементов. По существу, такой подход позволяет заменить ненесколько сотен стандартных элементов с фиксированной высотой и фиксированной функцией всего несколькими десятками компиляторов элементов.

Простота настройки при совершенствовании технологии

Более того, все усовершенствования технологии изготовления ИС оказываются для компиляторов элементов полностью прозрачными. В рамках заданной базовой технологии — например, К/МОП- или высококачественной МОП-технологии (H-MOS-технологии) — компиляторы автоматически учитывают возможное уменьшение минимальных геометрических размеров и связанные с ними изменения топологических проектных норм. Благодаря этому средства, вложенные пользователем в программные средства проектирования не подвергаются опасности при модернизации технологии. Эта организованная модернизация проектных норм обеспечена в системе благодаря сосредоточению всех конкретных технологических параметров в одном технологическом файле, доступ к которому имеют все компиляторы, редакторы и моделирующие программы.

Таким образом, компиляторы элементов решают все задачи проектирования, относящиеся к самому нижнему уровню — уровню топологии элементов на кремнии. Однако для завершения геометрического проектирования кристалла требуется также работа редактора-компоновщика системы. Это средство проектирования сводит задачу разработки полностью заказной ИС к задаче простого проведения соединений между функциональными блоками на кремнии.

После окончания схемного проектирования своего кристалла конструктор использует редактор-компоновщик для ручного размещения на кристалле символических контурных обозначений реальных физических элементов. По матрице межсоединений этих элементов, которая уже имеется в описании электрической схемы, редактор-компоновщик проводит соединения между всеми элементами, а затем подгоняет размещение элементов и проводников таким образом, чтобы получить минимальную площадь кристалла (рис. 4). Эта работа выполняется с учетом заданных проектными нормами ограничений.


Рис.4. После того как пользователь разместит на кристалле контурные обозначения своих элементов (например, элемент pla), редактор-компоновщик выполняет их трассировку в символическом виде (а), полностью соответствующую принципиальной схеме ИС. Затем программа уплотнения в два этапа сжимает топологию кристалла до минимально возможных размеров (б).

Как и программа автоматической трассировки компонентов на печатных платах, редактор-компоновщик позволяет конструктору сосредоточить внимание на разработке электрических соединений между функциональными блоками, освобождая его от геометрического проектирования топологии этих соединений. Такой подход помогает организовать иерархическое проектирование «снизу вверх» (восходящее проектирование), когда сначала размещаются и соединяются между собой элементы самого нижнего уровня, образующие более крупный функциональный блок, который затем сам размещается и соединяется с другими блоками более высокого уровня. Такой процесс продолжается вплоть до завершения всей конструкции кристалла.

На любой из стадий процесса можно выполнить и ручное проведение соединений, что позволяет разработчику постоянно контролировать разводку цепей с критичными сигналами. Более того, если пользователь захочет, то может ввести в программу уплотнения элементы уже полностью завершенного иерархического уровня, и программа выполнит повторное уплотнение в них элементов более низкого уровня с учетом фактической расстановки элементов более высокого уровня.

С помощью этого итерационного иерархического процесса пользователи, не имеющие опыта проектирования ИС, могут достаточно быстро получать заказные схемы с эффективным использованием площади кристалла, работая при этом с хорошо знакомыми функциональными блоками. Новые средства проектирования по простоте изучения и применения как минимум не уступают средствам проектирования схем на основе вентильных матриц или стандартных элементов, но зато позволяют получать более дешевые в производстве кристаллы с более высокими рабочими характеристиками. Говоря конкретнее, скомпилированные системой элементы, включая сложные функциональные блоки, имеют всего на 10—20% большую площадь, чем аналогичные элементы, полученные традиционными ручными методами проектирования. Сжатие топологии кристалла редактором-компоновщиком позволяет создать кристаллы с площадью всего примерно на 10% большей, чем в случае ручного проектирования.

Главные операции, выполняемые редактором-компоновщиком, — это проведение межсоединений и уплотнение топологии элементов. Как уже говорилось, начальное относительное размещение элементов на кристалле задает сам пользователь. После трассировки программа уплотнения переставляет элементы и соединительные проводники таким образом, чтобы получить минимальную площадь ИС. Базой для вычислительных операций, выполняемых программами трассировки и уплотнения, служит теория графов.

Работа редактора-компоновщика

Программа трассировки работает в два этапа. Сначала она выполняет глобальную трассировку, затем локальную. На этапе глобальной трассировки соответствующий блок сначала выделяет «пустые» области кристалла, в которых нет никаких элементов, и разбивает эти области на прямоугольники. Из чертежа принципиальной схемы извлекаются все необходимые межсоединения и программа определяет, через какие прямоугольники и в каком порядке должен проходить каждый проводник. Эта операция выполняется путем построения графа, вершины которого представляют собой края прямоугольников, а ветви соответствуют самим областям трассировки.

Таким образом, операции глобальной трассировки сводят задачу к определению набора областей трассировки (прямоугольников), для каждого из которых имеется список проводников, которые нужно провести внутри его. Затем выполняется локальная трассировка, с помощью которой определяется порядок расположения проводников вдоль краев прямоугольников и завершается проведение соединений. В системе предусмотрены два уровня межсоединений — для HMOS-технологии они соответствуют слою поликремния и одному слою металлизации. Чтобы эффективно использовать низкое сопротивление слоя металлизации, во всех возможных случаях соединения проводятся в этом слое. Программа трассировки работает с символическими представлениями проводников и контактов без учета их реальных размеров, поэтому все спроектированные с ее помощью конструкции получаются полностью от-трассированными. Кроме того, программу трассировки легко можно модифицировать применительно к технологии с двумя уровнями металлизации.

После завершения трассировки программа уплотнения выполняет двухэтапное уменьшение площади схемы — сначала она уплотняет ее по вертикали, затем — по горизонтали. Чтобы сжать схему по вертикали, эта программа строит граф,, вершины которого представляют горизонтальные линии, контакты и элементы, а ветви соответствуют минимальным промежуткам, необходимым между соседними вершинами. Самая длинная траектория в полностью построенном графе дает конечную величину вертикального размера, так что после ее определения выполняется соответствующая перестановка схемных элементов. Такая же процедура затем выполняется для горизонтального направления — при этом вершины графа соответствуют вертикальным проводникам контактам и элементам.

Моделирующая программа представляет собой программный эквивалент логического анализатора, используемого инженерами — разработчиками систем. Она предусматривает выполнение как функциональной, так и параметрической верификации схемы. Для работы этой программы моделирования на транзисторном уровне используется информация как о конфигурации схемы, так и о геометрии ее элементов с присвоением схемным элементам любых символических имея. В результате пользователи могут отлаживать свои конструкции, описанные на высоком уровне, в символическом виде, т.е. не вдаваясь в детали их представления на более низком уровне. Это обстоятельство ускоряет процесс проектирования.

Для моделирования используется входная информация, вводимая с клавиатуры или из написанных пользователем программ. Результаты моделирования можно вывести на графический дисплей в виде осциллограмм сигналов или чисел. На стадии проектирования принципиальной схемы ее элементы описываются характеристиками, взятыми по умолчанию. Эти характеристики дает схемный редактор или может задавать сам пользователь. После генерации геометрической конфигурации схемы редактором-компоновщиком программа моделирования работает с данными, получаемыми на уровне представления схемы в виде отдельных транзисторов. В эти данные включаются значения всех емкостей межсоединений и паразитных емкостей, которые будут фактически присутствовать в готовом кристалле.

Чтобы моделирование схем можно было выполнить за приемлемое время, транзисторы в программе моделируются как динамические сопротивления. Такое упрощенное представление по сравнению с программами полного моделирования, например программой Spice, ведет к некоторой потере точности — результаты моделирования отличаются от результатов расчета по программе Spice на 20%. Однако программа моделирования гарантирует выполнение анализа для наихудшего случая, так как ее погрешность направлена в сторону завышения задержек. В результате схема, для которой результаты моделирования предсказывают правильную работу, после изготовления будет работать так же или даже лучше.

При функциональной (в отличие от параметрической) верификации программу моделирования можно использовать в режиме логического моделирования с девятью уровнями сигнала и единичными задержками. В обоих режимах моделирования структура команд и набор инструкций одинаковы. Функциональная верификация обычно используется преимущественно на стадии проектирования принципиальной схемы, когда быстрая проверка пробных схемных вариантов с заданными пользователем точками останова обеспечивает быстрое продвижение вперед процесса разработки ИС. Параметрическую верификацию можно выполнять на любой стадии процесса проектирования, однако наиболее точные результаты можно получить только после геометрического проектирования ИС.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 56, No.17 (673), 1983г - пер. с англ. М.: Мир, 1983, стр.32

Electronics Vol.56 No.17 August 25, 1983 A McGraw-Hill Publication

Bob Duyn, Stephen Trimbreger. Structured-design system takes over the complexities in VLSI circuits, pp. 127—130.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Автоматизированное проектирование





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/VLSI/D19830825Elc020.shtml