5.5 Автоматизация проектирования топологии имс
Проектирование топологии ИМС представляет собой процесс преобразования электрической (логической) схемы в послойную геометрическую информацию, задающую формы, взаимное расположение и взаимосвязи схемных компонентов в многослойной интегральной структуре (полупроводниковой или гибридно-пленочной). Для осуществления этого процесса необходима информация о технологии производства ИМС, схемотехнических и теплофизических ограничениях.
Результаты проектирования топологии ИМС в виде чертежей (при ручном методе) или информации на машинном носителе (при автоматизированном методе) используются для изготовления фотошаблонов ИМС с помощъю программно-управля-емого технологического оборудования (координатографов, фотонаборной установки).
Задачи проектирования топологии БИС характеризуются высокой размерностью задач размещения элементов и трассировки соединений (десятки и даже сотни тысяч послойных конфигураций), разнообразием форм элементов и соединений, требованием минимизации площади микросхемы, необходимостью контроля всех стадий проектирования.
Среди задач проектирования топологии БИС выделяются задачи синтеза топологии и разработки фотошаблонов. К первым относятся задачи пространственного размещения элементов схемы и их соединений, ко вторым — расчет послойных чертежей фотошаблонов, контроль этих чертежей на получение соответствующих управляющих программ для изготовления фотошаблонов на специальном технологическом оборудовании.
Возможности автоматизированного решения задач синтеза топологии ИМС в большой степени определяются конструктивно-технологическими принципами реализации схем. В соответствии с составом библиотек базовых ячеек выделяются два подхода проектирования топологии БИС (различных технологических исполнений) [14]:
проектирование на основе набора типовых функциональных блоков в виде топологических модулей;
проектирование на радиоэлементном уровне в тех решениях, где модули по объективным мотивам применены быть не могут.
Метод проектирования топологии БИС на основе функциональных ячеек предполагает, как отмечалось, создание библиотеки типовых ячеек, используемых при проектировании конкретной микросхемы и решения следующих задач:
покрытия исходной логической схемы БИС ячейками из принятого набора;
размещения ячеек;
трассировки соединений ячеек.
Этот метод получил широкое распространение при разработке БИС (моно- и многокристальных), изготавливаемых небольшими сериями до 10 000 штук. Основными преимуществами метода является резкое уменьшение сроков и стоимости процесса проектирования БИС, снижение уровня ошибок и широкие возможности для автоматизации процесса синтеза топологии. Недостатком использования типовых ячеек с фиксированной топологией и высокой степенью интеграции в качестве базовых является ухудшение параметров проектируемых устройств в сравнении с достижимым уровнем при проектировании их на типовых ячейках более низкого иерархического уровня. Предельно низкими уровнями в конструктивно-функциональной иерархии ячеек является радиоэлементный или вентильный. Структурная схема процесса проектирования топологии из типовых ячеек изображена на рисунке 5.6.
Проектирование топологии ИМС на радиоэлементном уровне обеспечивает наивысшую плотность компоновки и лучшие схемотехнические характеристики микросхемы. В связи с этим данный метод применяется для ИМС, выпускаемых большими сериями (сотни тысяч штук). Сюда относятся БИС памяти, логические и аналоговые микросхемы и микросхемы массового производства (микропроцессорные БИС, БИС для микрокалькуляторов и электронных часов). При данном методе трудоемкость проектирования топологии значительно больше, чем при проектировании на типовых ячейках. Однако ввиду большой серийности выпуска она относительно мало влияет на конечную стоимость БИС.
Возможности автоматизированного решения задач синтеза топологии ИМС на радиоэлементном уровне зависят от степени «регулярности» топологии (унификации типоразмеров элементов и соединений, упорядоченности их расположения). Однако они меньше, чем при проектировании с использованием типовых ячеек. Наиболее «регулярна» топология логических МДП БИС (р-канальных, комплементарных и др.) и И2Л БИС. Для этих микросхем может быть выполнена унификация типоразмеров радиоэлементов (транзисторов, контактных окон, проводящих шин) и введена ортогональная сетка, упрощающая расположение компонентов на поле кристалла. Наименее «регулярна» топология линейных ИМС (биполярных и гибридно-пленочных), отличающихся разнообразием форм и размеров элементов, а также наличием одного слоя коммутации.
Рисунок 5.6
Проектирование топологии микросхем предполагает решение задач распределения логических элементов микросхемы по готовым базовым структурам матричной БИС и реализации их соединений. Особенностью решения этих задач является заданность соединений конструкцией матрицы и недопустимость навесных соединений кроме канальных соединений.
Автоматизация процесса синтеза топологии ИМС предполагает выявление набора оптимизируемых параметров, построение моделей описания схем и конструкций и разработку алгоритмов синтеза. Естественно, что конкретные критерии оптимизации и ограничения должны отражать схемотехнические, конструктивные и технологические особенности ИМС. Среди этих критериев и ограничений можно выделить две основные группы, связанные с метрикой БИС:
выделение функционально «зависимых» фрагментов схемы, синтез топологии которых осуществляется раздельно;
выполнение общей компоновки микросхемы.
Целью синтеза топологии является получение максимальной плотности компоновки элементов и их соединений. Задачи синтеза топологии цифровых БИС на МДП-структурах имеют много общего с синтезом топологии БИС на БПТ-структурах и поэтому выделяются в отдельный класс цифровых устройств.
Линейные ИМС средней степени интеграции реализуются на основе биполярной или гибридно-пленочной технологии. Ввиду разнообразия форм и размеров компонентов, сильной взаимосвязи между метрическими и топологическими параметрами, необходимости учета разнообразных схемотехнических и технологических ограничений для схем этого класса трудно выявить общие принципы компоновки.
Указанные особенности приводят обычно к трудоемкому процессу перебора конструктивных решений топологии. Одним из наиболее сильных ограничений при проектировании является наличие одного слоя коммутации, поэтому основная задача синтеза — получение планарной реализации схемы. Для устранения неизбежных пересечений используются специальные перемычки (пленочные или диффузионные), число которых должно быть минимальным. Объекты этого класса классифицируются как ИС с однослойной коммутацией.
Алгоритмическое решение всех или отдельных задач синтеза топологии ИМС оказывается трудно достижимым, что требует интенсивного использования интерактивных систем автоматизации проектирования топологии ИМС. При этом обеспечивается снижение трудоемкости выполнения чертежно-графических работ на всех этапах конструирования топологии.
Исходной информацией к проектированию фотошаблонов ИМС являются результаты синтеза топологии. Задачи разработки фотошаблонов являются общими для различных классов ИМС. К этим задачам относятся:
выбор форм и расчёт размеров отдельных элементов;
получение послойных чертежей фотошаблонов;
изготовление сопроводительной конструкторско-техноло-гической документации.
Разработка фотошаблонов БИС без применения ЭВМ и программно-управляемого технологического оборудования невозможна. Автоматизированный процесс разработки фотошаблонов БИС предполагает машинное решение следующих основных задач:
обработку описаний топологии, заданных на специальном языке или введенных через специализированное устройство ввода графической информации;
расчет и проверку введённых чертежей;
получение программ на машинном носителе управления работой технологического оборудования (фотонаборной установки, фотоштампа и т.п.).