автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Проектирование топологии СБИС с использованием метода инкапсулированных библиотек

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРО- 11 ЕКТИРОВАНИЯ КМОП БИС

1.1. Анализ тенденций развития элементной базы СБИС

1.2. Анализ методов и систем автоматизированного проектирования 22 СБИС

1.2.1. Проектирование КМОП СБИС на матричных кристаллах

1.2.2. Проектирование СБИС методом стандартных ячеек

1.2.3. Методология проектирования полностью заказных СБИС 33 1.3 .Постановка задачи

Глава 2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА ИНКАПСУЛИРО- 40 ВАННЫХ БИБЛИОТЕК СБИС

2.1. Графо-теоретические основы построения модели топологиче- 40 ского образа

2.2. Разработка языка описания топологических норм проектирова- 64 ния

2.3. Метод синтеза инкапсулированных библиотек СБИС

2.4. Выводы по 2-й главе

Глава 3. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СИНТЕЗА 81 ИБ (АССИБ)

3.1. Разработка структурной схемы АССИБ.

3.2. Частные алгоритмы.

3.2.1. Ввод информации о ТНП

3.2.2. Применение битовых цепочек в алгоритмах сканирующей 92 линии

3.3. Разработка интегрированной САПР на базе АССИБ

-33.4. Выводы по 3-й главе

Глава 4. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС СИНТЕЗА ТОПОЛОГИИ 100 ИРЭУ

4.1. Исследование и разработка программного комплекса синтеза ИБ.

4.2. Апробация программного комплекса синтеза ИБ в составе мар- 117 шрута автоматизированного проектирования КМОП узлов.

Непрерывный рост сложности интегральных схем (ИС) от схем малого (МИС) и среднего (СИС) уровней интеграции до схем большого (БИС), сверхбольшого (СБИС) и ультрабольшого (УБИС) уровней интеграции, которые на

6 8 считывают и более элементов в кристалле, наблюдается на протяжении последних 30 лет [23]. Столь стремительный рост степени интеграции сопровождается непрерывным совершенствованием технологического процесса производства СБИС, что в свою очередь ведет к постоянному варьированию топологических норм проектирования (ТИП). При таком темпе смены ТНП на первый план выдвигается следующие проблемы:

- необходимость использования старых проектов в новом базисе ТНП с наименьшими затратами на их перепроектирование;

- отсутствие возможности быстрой переработки библиотек базовых элементов под новые ТНП;

- отсутствие возможности варьирования топологических норм параллельно с проектированием СБИС, что бывает крайне необходимым при внедрении новой технологии производства СБИС.

В настоящее время данные проблемы решаются лишь усилиями разработчиков-топологов. Все изменения в топологию СБИС и библиотеки базовых элементов вносятся вручную, что значительно увеличивает время проектирования СБИС и ее себестоимость. К примеру, переработка библиотеки объемом 100 элементов может занять около месяца, а модификация всей топологии СБИС от двух до шести месяцев.

Существенным шагом на пути сокращения времени проектирования явилось создание банков различных функциональных элементов таких, как память, перемножитель, сумматор, регистр и т.п. Подобные банки содержат только поведенческое описание элементов, что уже позволяет абстрагироваться от технологии, используемой при производстве СБИС. При этом подразумевается, что пользователь банка имеет синтезатор, который позволяет, в соответствии с поведенческим описанием и нужным набором ТНП, строить топологический образ элемента. Данный подход имеет ряд существенных недостатков в современных экономических условиях:

1. Высокая цена синтезатора топологического образа.

2. Высокая цена за право использования готового элемента.

3. Отсутствие представления о конечном топологическом образе и о его конфигурации до проведения синтеза.

4. Невозможность использования данного подхода в случае переработки уже существующих проектов.

Выход из сложившейся ситуации видится в создании специальных топологических библиотек. Эти библиотеки должны содержать не функциональное описание элемента, а описание модели его топологического образа с помощью специально разработанного языка. Более того, подобное описание должно обладать технологической инвариантностью, что позволит получать топологические образы элементов в любом базисе ТНП. Особые требования предъявляются к транслятору описания в топологический образ. Он должен обладать низкой себестоимостью и, при этом, эффективно решать задачу построения топологического образа в нужном базисе ТНП.

Использование при разработке топологии СБИС подобных топологических библиотек, инвариантных набору ТНП, позволит осуществлять технологическую миграцию ранее разработанных проектов с минимальными затратами на перепроектирование и за минимальное время.

Сказанное подчеркивает актуальность и перспективность разработки методов и алгоритмов построения топологических библиотек элементов, инвариантных к технологическому процессу производства СБИС.

Целью настоящей работы является разработка методов и алгоритмов построения топологических библиотек элементов, устойчивых к вариации топологических норм проектирования, а также математического обеспечения

МО), позволяющего решить данную задачу.

Для достижения цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Разработан метаязык описания топологических норм проектирования и методы его трансляции.

2. Разработана математическая модель топологического образа элемента или фрагмента топологии.

3. Разработаны алгоритмы генерации элементов топологических библиотек, устойчивых к вариации ТИП на базе математической модели топологического образа.

4. Разработана методология проектирования библиотек элементов с использованием методов топологической компиляции.

5. Разработан программный комплекс синтеза топологических библиотек элементов, устойчивых к вариации ТНП, и инвариантный к используемой вычислительной платформе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метаязык описания топологических норм проектирования и методы его трансляции, обеспечивающие: a) возможность описания любых ТНП; b) преобразование описания во входную информацию для импортирования в математическую модель топологического образа.

2. Разработана математическая модель топологического образа элемента или фрагмента топологии, позволяющая: a) описать топологию библиотечного элемента или фрагмент топологии устройства в целом, путем формирования необходимых взаимных связей между областями, составляющими этот образ; b) формировать связи между областями в соответствии с действующим набором ТНП, определяемым используемым технологическим процессом производства СБИС; с) вводить новые связи для дальнейшей модернизации и параметризации топологического образа.

3. Разработаны алгоритмы генерации топологических библиотек элементов, устойчивых к вариации ТНП на базе модели топологического образа.

4. Разработана методология проектирования библиотек элементов с использование методов топологической компиляции.

На защиту выносятся:

1. Метаязык описания топологических норм проектирования и методы его трансляции.

2. Математическая модель топологического образа элемента или фрагмента топологии.

3. Методология проектирования библиотек элементов с использованием методов топологической компиляции.

4. Математическое обеспечение, позволяющее реализовать технологическую инвариантность.

5. Программный комплекс синтеза библиотек, устойчивых к вариации ТНП.

6. Результаты промышленной апробации и внедрения.

Практическая ценность и результаты внедрения.

1. Разработаны лингвистические средства описания технологических норм, обеспечивающие: a) возможность разработки СБИС параллельно с модернизацией технологического процесса производства, что значительно сокращает сроки проектирования на этапе внедрения новой или модификации старой технологии; b) возможность вторичного использования ранее разработанных проектов на новой технологической базе и с минимальными затратами на перепроектирование.

4.3. Выводы по 4-й главе.

1. Предложен новый маршрут проектирования К МОП СБИС на базе программного комплекса синтеза ИБ, обеспечивающий непрерывность процесса автоматизированного проектирования СБИС.

2. На базе предложенной функционально-логической схемы и аппаратных средств ЮМ PC-AT Pentium-II в операционной системы Windows разработана структура МО, включающего:

- транслятор технологических файлов;

- синтезатор описания топологического образа элемента, в синтаксисе выбранного ЯПВУ;

- библиотеки функций для топологической компиляции;

- графический интерфейс пользователя для оценки и коррекции полученного топологического образа;

- конверторы форматов для стыковки с другими САПР СБИС.

ПК, разработанный на базе этого МО, обеспечил поддержку автоматического процесса проектирования СБИС.

3. Апробация разработанного ПК СИБ на предприятиях дала положительный результат, так как:

- разработанное МО позволило разрабатывать библиотеки и фрагменты топологии СБИС, устойчивые к вариации КТО;

- уменьшилось время проектирования библиотечных фрагментов УЭП под отрабатываемые варианты норм КТО и повысилось качество проектных работ, что подтверждено актом внедрения.

4. Данный ПК СИБ был использован при разработке топологии тест-кристалла специализированных ИС в рамках ОКР (раздел НИОТР) «Прототип», выполняемой по Госконтракту с Российским авиационно-космическим агентством и показал свою эффективность.

- 123 -Заключение

По результатам выполненной работы можно сделать следующие основные выводы:

1. Проведенный анализ тенденций развития элементной базы СБИС позволяет сделать вывод о том, что КМОП технология, вобравшая в себя все преимущества и достижения технологии п-канальных МОП ИС, стала на сегодня одной из наиболее прогрессивных технологических схем формирования СБИС.

2. Проведенный анализ методов и систем автоматизированного проектирования СБИС показал, что большинство методологий проектирования СБИС опираются на использование библиотек элементов, в базисе которых проектируется ИС. В частности, маршрут проектирования полностью заказных СБИС (§1.2.2) и маршрут проектирования с помощью стандартных ячеек (§1.2.3) используют в качестве входных данных библиотеки элементов. Был выявлен существенный недостаток такого подхода, заключающийся в невысоком «сроке жизни» библиотек, обусловленным совершенствованием технологического процесса, и, как следствие, частой сменой ТИП. Более того, данные методологии не позволяют реализовать технологию «вторичного использования проектов» (ВИП), то есть воспроизведение уже созданных проектов на новых конструкторско-технологических базах.

3. Проведенный анализ способов представления топологического образа для построения его математической модели и показано, что наиболее соответствует специфике решаемой задачи:

- Краевое представление топологических масок;

- Представление топологии в виде прямоугольников;

- Символьное представление топологического образа СБИС.

4. Впервые предложено использовать принцип совместимости областей, образующих топологический образ, для минимизации количества связей в графе топологии, что позволяет исключить эвристику при решении данной задачи.

5. Показана применимость алгоритма сканирующей линии и перспективность его использования для построения модели топологического образа в виде графа, оптимизированного по критерию числа ребер, за конечное время.

6. Разработана структурная схема проектирования библиотек, инвариантных технологическому процессу производства КМОП СБИС.

7. Предложен формат хранения информации о ТИП в виде технологических файлов, основанный на использовании грамматики ЯОТН, и эффективный алгоритм трансляции текстовой информации, содержащейся в технологических файлах во внутреннее представление, понятное используемым при проектировании ИБ алгоритмам и процедурам.

8. Разработана модификация алгоритма сканирующей линии путем использования битовых цепочек.

9. Предложена структурная схема интегрированной САПР на базе АССИБ для проектирования СБИС.

Ю.Предложена структурная схема интегрированной САПР для реализации технологической миграции топологии

11 .Предложен новый маршрут проектирования КМОП СБИС на базе программного комплекса синтеза ИБ, обеспечивающий непрерывность процесса автоматизированного проектирования СБИС.

12.На базе предложенной функционально-логической схемы и аппаратных средств IBM РС-АТ Pentium-II в операционной системе Windows разработана структура МО, реализующего этот маршрут.

13. Данный ПК СИБ был использован при разработке топологии тест-кристалла специализированных ИС в рамках ОКР (раздел НИОТР) «Прототип», выполняемой по Госконтракту с Российским авиационно-космическим агентством и показал свою эффективность.

1. Анцыгин A.B., Асатурова Т.Е., Каторга А.Г. и др. Системы автоматизированного проектирования БИС и радиоэлектронной аппаратуры. / СИТ -система иерархического топологического проектирования БИС. - М., 1991.-с. 84-90.

2. Армстронг Д. Моделирование цифровых систем на языке VHDL. М., Мир, 1992

3. БИС запоминающих устройств. Под ред. Гордонова А.Ю., Дьякова Ю.Н., -М., Радио и связь. -1990

4. Боли JI.A. Активир процессы технологии в микроэлектронике / Проблемы организации технологически инвариантных САПР СБИС. Таганрог, 1986. - с.92-96

5. Дембицкий H.J1., Темницкий Ю.Н. Тексты лекций по курсу "Математическое обеспечение конструирования и технологии МЭА с применением САПР". М., МАИ, 1987. - 36с.

6. Казенов Г.Г., Сердобинцев Е.В. Проектирование топологии матричных СБИС. Кн. 6, М., ВШ, 1990

7. Каплин A.B. Новые технологии автоматизированного проектирования регулярных СБИС. Сборник : Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России, ВНИИМИ, индекс 66647, (2) 1999г.

8. Каплин A.B., Назаров A.B. Математические модели конструкторского проектирования матричных СБИС. Вестник МАИ, МАИ 1998г. - Зс.

9. Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.И. Конструирование и технология микросхем, М., ВШ., 1984

10. Машинный расчет интегральных схем. Пер с англ., под ред. К.А.Валиева, Г.Г.Казенова и АЛ.Голубя. М., Мир, 1971.

11. Мелихов А.Н., Берштейн JI.C., Курейчик В.М. Применение графов для проектирования дискретных устройств. -М., 1974

12. Мермет Дж. VHDL для моделирования синтеза и формальной верификации аппаратуры, перевод с английского В.В. Топоркова, Т.С. Трудовой, М., Радио и Связь, 1995

13. Назаров A.B., Фомин A.B., Дембицкий Н.Л. Автоматизация проектирования матричных КМОП СБИС. М., Радио и Связь, 1991

14. Панасюк C.JI. Автоматизированное проектирование топологии нерегулярных структур. Микроэлектроника 1985,т.в.4,вып.6. с.497-500

15. Петренко А.И., Лошаков В.Н., Тетельбаум А.Я., Шрамченко Б.Л. Автоматизированное проектирование СБИС на базовых кристаллах. М., Радио и связь, 1988 - 160с.

16. Петренко А.И., Тетельбаум А .Я., Формальное конструирование электронно-вычислительной аппаратуры, М., Сов. Радио, 1979

17. Петренко А.И., Тетельбаум А .Я., Шрамченко Б.Л., Автоматизация конструирования электронной аппаратуры (топологический подход), Киев, ВШ 1980

18. САПР БИС: перспективы и решения. Межвузовский сборник. М., Изд. МИЭТа, 1987. - 136 с.

19. Современные проблемы автоматизации проектирования БИС. Сборник научных трудов. М.: Изд. МИЭТа, 1986. - 147 с.

20. Стемпковский А. Л., Шепелев В. А., Власов А.В. Системная среда САПР СБИС. М., Наука 1994

21. Страуструп Б., Язык программирования С++. /Пер. с англ. В. Тропашко., Киев, ДиаСофт 1993

22. Теория и методы автоматизированного проектирования вычислительных систем. Под ред. М. Брейера пер. с англ. Меркуловой В.Г., Мясина О.Ф. -М., Мир, 1977

23. Технология СБИС. Под ред. С. Зи в 2-х книгах. М., Мир, 1986

24. Ульман Дж. Вычислительные аспекты СБИС. Пер с англ., Пархоменко П.П. М., Радио и Связь, 1990

25. Электронная промышленность за рубежом. / Пер. с англ., под ред. А.В. Матвеева., М., Прогресс, 1988

26. Язык Си для профессионалов. М., И.Б.К. Софт -1991

27. НИР Вега-ОС-98. Исследование методологии проектирования заказных цифровых КМОП СБИС на базе современных САПР. НИИ САПРАН, 1999, Гос.рег.№ 01.9.80003807.

28. Aho V., Sethi R., Ulman D. Compilers. Principles, Techniques, and Tools.

29. Auerbach R.A., Lin B. W., and Elsayed. Layouts for the design of VLSI circuits. Computer Aided Design, 13(5): 1981. - p.271-276.

30. Beasley J.E., An Algorithm for the Steiner problem in graph. Networks, 1984, p.147-159

31. Bern M., Lawer E.L., Wong A.L., Linear-time computation of optimal subgraphs of decomposable graphs. Journal of Algorithms, 1987. - p.216-235

32. Boyer D., Split grid compaction for a virtual grid symbolic design system. In

33. Proceedings of the International Conference on Computer-Aided Design, p. 134-137, IEEE 1987

34. Boyer D., Symbolic Layout Compaction Review. 25th ACM/IEEE Design Automation Conference, 1988

35. Boyer D., Virtual grid compaction using the most recent layers algorithms. In Proceedings of the International Conference on Computer-Aided Design, p. 9293, IEEE 1986

36. Burns J., Newton A.R., Efficient Constraint Generation for Hierarchical Compactions. Proc. Of the IEEE International Conference on Computer Design, p. 197-200,198736