版圖設(shè)計是一門技術(shù)，也是一門藝術(shù)

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-10-31 18:27:13 744

我們可以將集成電路版圖設(shè)計比作城市規(guī)劃和建筑設(shè)計的結(jié)合。就像在有限的土地上規(guī)劃建筑和道路布局一樣，版圖設(shè)計需要在有限的芯片空間上安排晶體管、布線和各類元件，以實現(xiàn)功能和性能的最大化。

一、什么是版圖設(shè)計？

版圖設(shè)計是將電路的邏輯功能通過物理層次實現(xiàn)出來的過程。它類似于建筑圖紙的設(shè)計工作，需要通過EDA工具（電子設(shè)計自動化工具）定義各工藝層的形狀、尺寸以及位置。不同層次的工藝圖形（如多晶硅層、金屬層）相互疊加，通過排列和布線形成一個完整的集成電路結(jié)構(gòu)。版圖設(shè)計的核心工作內(nèi)容主要包括布局、布線和尺寸確定。

布局（Placement）：這是設(shè)計的*步，類似于把建筑物和公園等設(shè)施在城市地圖上標(biāo)注位置。版圖設(shè)計中的布局是將晶體管、基本單元（例如門電路）、復(fù)雜單元（例如存儲單元等）合理地放置在芯片上。這一步不僅決定了電路的空間結(jié)構(gòu)，還直接影響電路的整體性能。
布線（Routing）：布線是將布局中各個元件間的連接建立起來的過程，類似于城市中街道的規(guī)劃。在版圖設(shè)計中，布線的合理性將直接影響到電路信號的傳輸速度和整體的可靠性。布線過程需要考慮路徑的長度、繞線的復(fù)雜性、信號延時等因素。
尺寸確定（Sizing）：尺寸確定涉及確定晶體管的寬度（W）和長度（L）、互連線的寬度以及晶體管與互連線之間的相對尺寸。這相當(dāng)于在城市規(guī)劃中確定建筑的高度和寬度，以確保整體協(xié)調(diào)和高效。

二、版圖設(shè)計的目標(biāo)

版圖設(shè)計的核心目標(biāo)是在滿足電路功能的前提下，最大化電路性能，并確保質(zhì)量要求。主要的設(shè)計目標(biāo)包括以下幾點：

電路功能的實現(xiàn)：電路的每個部分都必須在設(shè)計中能夠正常運行。工程師需要確保元件之間的正確連接，并嚴(yán)格遵循設(shè)計規(guī)則。
性能的提升：版圖設(shè)計直接關(guān)系到芯片的速度和功耗。合理的布局和布線可以縮短連線長度，從而降低信號延時，提高電路速度。
面積的最小化：集成電路的面積決定了芯片的成本。工程師通過優(yōu)化布局和尺寸設(shè)計，盡量節(jié)省空間，提高集成度，從而降低生產(chǎn)成本。
可靠性和可制造性：確保版圖設(shè)計符合制造工藝要求，并通過設(shè)計規(guī)則檢驗（DRC）、電氣規(guī)則檢驗（ERC）和一致性檢驗（LVS），以保證芯片可以成功生產(chǎn)并長期穩(wěn)定工作。

三、EDA工具的作用

在實際工作中，EDA工具是工程師的得力助手，它幫助設(shè)計人員完成布局、布線以及規(guī)則檢驗等復(fù)雜任務(wù)。EDA工具的作用包括：

版圖編輯（Layout Editor）：工程師通過布局編輯器定義各個工藝層的圖形形狀、尺寸和位置。這一步相當(dāng)于繪制一個多層次的地圖，每一層代表一個工藝層次，工程師需要準(zhǔn)確地在這些圖層上繪制出符合工藝要求的圖形。
規(guī)則檢驗：設(shè)計規(guī)則是集成電路制造商提供的“協(xié)議”，是設(shè)計和工藝之間的接口。規(guī)則檢驗包括以下幾個方面：
設(shè)計規(guī)則檢驗（DRC）：確保圖形滿足最小寬度、最小間距等設(shè)計要求。
電氣規(guī)則檢驗（ERC）：檢查電路電氣連接是否滿足要求，如電源與地線的正確連接。
版圖與電路圖一致性檢驗（LVS）：保證版圖與原始電路圖在功能和邏輯上相一致。
布局布線（Place and Route）：EDA工具可以通過自動化的方式幫助工程師進(jìn)行布局和布線操作。現(xiàn)代EDA工具的自動布線技術(shù)能夠優(yōu)化連線長度、減少電容效應(yīng)，從而提高電路性能。

四、版圖設(shè)計規(guī)則

設(shè)計規(guī)則是集成電路版圖設(shè)計的核心準(zhǔn)則，它規(guī)范了版圖設(shè)計的各個方面。設(shè)計規(guī)則包括*值和相對值兩種標(biāo)準(zhǔn)。

*值設(shè)計規(guī)則：這是以實際尺寸為單位的規(guī)定。例如，金屬層的最小寬度可能被限制為100納米，以確保可靠性。

相對值設(shè)計規(guī)則：這是基于比例因子（例如m、n等）來定義的規(guī)則，具體數(shù)值與制造工藝有關(guān)。例如，若規(guī)則規(guī)定某層的寬度w = mA，那么m是與圖形類型有關(guān)的比例因子，而A是基準(zhǔn)單位。

設(shè)計規(guī)則還包括以下常見要求：

最小寬度：保證布線不至于因?qū)挾炔蛔愣谥圃旎蚴褂弥袛嗔选?/span>
最小間距：確保不同線之間不會因過近而產(chǎn)生短路。
最短露頭：確保元件不會超出版圖邊界，以利于光刻對齊和封裝。
邊界距離：保證元件之間有足夠的空間，以免相互影響。

五、曼哈頓幾何形狀

在版圖設(shè)計中，大多數(shù)圖形采用“曼哈頓幾何形狀”，即主要由水平或垂直的直角線段組成的圖形。這種幾何形狀的設(shè)計符合制造工藝的需求，因為集成電路的光刻工藝在處理直角時更具精度與穩(wěn)定性。此外，曼哈頓幾何形狀也便于規(guī)則檢驗和自動布線工具的使用。

六、版圖設(shè)計的挑戰(zhàn)與藝術(shù)性

版圖設(shè)計不僅是一門技術(shù)，還是一門藝術(shù)。優(yōu)秀的版圖設(shè)計師需要在有限的空間內(nèi)，以精湛的技藝完成復(fù)雜電路的布局和布線。他們必須考慮多層次的結(jié)構(gòu)布局，確保電路的美觀和功能性。有經(jīng)驗的版圖設(shè)計師能夠在設(shè)計中融入藝術(shù)性，創(chuàng)作出不僅具備高性能且具視覺美感的版圖。

例如，在設(shè)計存儲單元時，設(shè)計師需要考慮如何排布大量重復(fù)單元以節(jié)省空間，并在連線時最大化減少信號延時。一個設(shè)計巧妙的存儲單元陣列能夠有效利用空間，極大地提升芯片性能。

七、版圖設(shè)計的未來趨勢

隨著集成電路工藝向更小的制程演進(jìn)，版圖設(shè)計面臨更多挑戰(zhàn)。未來，以下趨勢將進(jìn)一步推動版圖設(shè)計的發(fā)展：

更小尺寸的器件和更高集成度：7nm及以下制程的推進(jìn)使得設(shè)計規(guī)則變得更加嚴(yán)格，版圖設(shè)計師需要考慮更多的物理效應(yīng)。
3D IC技術(shù)的發(fā)展：三維集成電路將不同功能的芯片垂直堆疊，這帶來了全新的布局和布線難題，設(shè)計師需要考慮芯片間的熱管理和信號傳輸問題。
智能化和自動化設(shè)計工具：隨著AI技術(shù)的發(fā)展，EDA工具將越來越智能化，可以自動識別并優(yōu)化版圖中的瓶頸，從而降低設(shè)計難度，提高設(shè)計效率。

小結(jié)一下。集成電路版圖設(shè)計是一個兼具技術(shù)性和藝術(shù)性的領(lǐng)域，它不僅要求設(shè)計師在布局、布線和尺寸確定等方面有精湛的技巧，還需要遵循制造工藝的設(shè)計規(guī)則。在EDA工具的輔助下，版圖設(shè)計師能夠在有限的芯片空間內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜的電路功能。未來，隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，版圖設(shè)計的挑戰(zhàn)將持續(xù)增加，但也將出現(xiàn)更多創(chuàng)新的工具和方法，為芯片的高性能、高集成度設(shè)計提供支持。

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