介紹了一種標(biāo)準(zhǔn)芯片單元可連通性的檢測(cè)方法，可以有效檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的可連通性，在布局布線階段之前，改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)單元的版圖，或者增加布局布線的約束條件，從而保證標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的設(shè)計(jì)對(duì)布局布線的友好性。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的檢測(cè)和改進(jìn)，可以有效提高芯片的整體可連通性，從而節(jié)約布局布線階段的工作時(shí)間，減少開(kāi)發(fā)周期，提高芯片良率。本方法可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元庫(kù)的全覆蓋檢測(cè)，通過(guò)優(yōu)化算法，可以在盡可能減少芯片測(cè)試工作量的前提下，實(shí)現(xiàn)90%以上的隨機(jī)場(chǎng)景再現(xiàn)。通過(guò)在不同技術(shù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元檢測(cè)中的應(yīng)用，有效地捕獲了標(biāo)準(zhǔn)芯片單元連通性的問(wèn)題，在數(shù)字后端布局布線之前，改進(jìn)或阻止了可能出現(xiàn)的不友好場(chǎng)景，提升了芯片后端設(shè)計(jì)的效率。

在市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，近40年來(lái)，芯片的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。從45nm到28nm，從16nm到10nm，芯片制造技術(shù)一路高歌猛進(jìn)，每隔一到兩年時(shí)間，芯片的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)就會(huì)被推進(jìn)到下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)。在人們津津樂(lè)道享受著芯片性能提升帶來(lái)便利的同時(shí)，芯片的設(shè)計(jì)和制造正在面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

基于物理學(xué)定律，工程師通過(guò)縮小芯片尺寸來(lái)提升其性能。作為一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，把芯片變得越來(lái)越小是非常困難的。現(xiàn)在芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)將芯片各個(gè)組成部分之間的空間縮小到了十幾納米，但邏輯芯片的管腳數(shù)量不會(huì)因?yàn)樾酒叽绲目s小而減少，如何把百萬(wàn)數(shù)量級(jí)的管腳按照邏輯關(guān)系連接好，是不得不面對(duì)的技術(shù)問(wèn)題。隨著制造工藝越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)規(guī)則也越來(lái)越復(fù)雜。工藝每推進(jìn)一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，后端布局布線的設(shè)計(jì)規(guī)則都會(huì)有兩到三倍增加，這給芯片設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。標(biāo)準(zhǔn)芯片單元作為最小的邏輯單元，在整個(gè)芯片上會(huì)被大量重復(fù)使用，所以標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。如果標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的可連通性出現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)導(dǎo)致布局布線無(wú)法滿足設(shè)計(jì)規(guī)則要求，甚至造成芯片斷路失效。本文介紹一種標(biāo)準(zhǔn)芯片單元可連通性的檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元庫(kù)的全覆蓋檢測(cè)，并模擬實(shí)際布局布線中的隨機(jī)場(chǎng)景來(lái)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中，取得了很好的效果。

1影響標(biāo)準(zhǔn)芯片單元連通性的主要因素

標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的管腳形狀和排列布局會(huì)影響芯片的可連通性。在標(biāo)準(zhǔn)芯片單元庫(kù)中，與門(mén)是一種使用最頻繁的標(biāo)準(zhǔn)單元。圖1(a)是與門(mén)的邏輯電路圖，有兩個(gè)輸入管腳和一個(gè)輸出管腳。在標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的版圖上，對(duì)應(yīng)的也有兩塊金屬用于輸入端的連接，一塊金屬用于輸出端的連接，如圖1(b)。

在進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)時(shí)，版圖工程師會(huì)對(duì)版圖本身的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行檢查，同時(shí)預(yù)留管腳的外連空間。管腳的外連方法一般有兩種，一種是在管腳上打過(guò)孔，然后再用金屬層接出；另一種方法是把管腳做金屬層延伸，然后在通過(guò)跳層方法接出。不管采用哪種方法把管腳引出，在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)芯片單元版圖設(shè)計(jì)時(shí)，這些引出的金屬層都是不存在的，版圖工程師只能預(yù)估可能的接線方法來(lái)預(yù)留空間。

影響管腳接線的設(shè)計(jì)規(guī)則主要有：金屬線與金屬線之間的距離、金屬端頭之間的距離、過(guò)孔被金屬層覆蓋的面積、跨層金屬之間的距離等。圖2(a)~圖2(c)是一些常見(jiàn)的設(shè)計(jì)規(guī)則。

設(shè)計(jì)規(guī)則比較復(fù)雜，有些場(chǎng)景需要考慮多個(gè)金屬之間的相互影響。如果版圖工程師沒(méi)有能充分考慮到這些可能存在的場(chǎng)景，或者對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)則的理解不充分，就有可能在實(shí)際連線中出現(xiàn)管腳不能被引出，或者管腳能夠被引出，但引線違反了設(shè)計(jì)規(guī)則。

在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)芯片單元有可能是緊挨著放在一起，這時(shí)候兩個(gè)單元的管腳就會(huì)相互影響。版圖工程師很能考慮這種情形，因?yàn)楹茈y預(yù)測(cè)到哪些標(biāo)準(zhǔn)芯片單元會(huì)被放在一起。圖3是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元放在一起的場(chǎng)景。兩個(gè)輸入端管腳離得很近，而且都需要引出，引出線之間很容易觸發(fā)設(shè)計(jì)規(guī)則，如果預(yù)留的空間不足，就有可能造成管腳無(wú)法引出的情況。

　　2 標(biāo)準(zhǔn)芯片單元連通性檢測(cè)的思路

　　標(biāo)準(zhǔn)芯片單元是孤立的元器件，為了檢測(cè)芯片管腳的可連通性，需要把標(biāo)準(zhǔn)芯片單元連接一起，通過(guò)實(shí)際布局布線來(lái)檢測(cè)管腳設(shè)計(jì)的合理性。在標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)初期，標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的功能可能還沒(méi)有完善，數(shù)量也不足以組成一個(gè)真正的邏輯芯片［10］。同時(shí)做一個(gè)真正的邏輯網(wǎng)表和完成完整的數(shù)字后端，需要的時(shí)間也比較長(zhǎng)，版圖工程師可能沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)和時(shí)間來(lái)做這種測(cè)試。如果能夠簡(jiǎn)單地把這些標(biāo)準(zhǔn)芯片單元連接起來(lái)，并做快速的布局布線，將會(huì)幫助工程師快速地檢測(cè)芯片管腳的連通性。

　　基于以上需求，本文用腳本產(chǎn)生一個(gè)網(wǎng)表，然后使用innovus的布局布線工具來(lái)模擬標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的管腳連接情況。圖4是本方法的流程圖。

　　從標(biāo)準(zhǔn)芯片單元庫(kù)中任選兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元和接收單元，用驅(qū)動(dòng)單元來(lái)連接單元庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)單元，所有標(biāo)準(zhǔn)單元的管腳連接到接受單元。使用這種方法來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)網(wǎng)表，其目的是遍歷標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)的所有標(biāo)準(zhǔn)單元，保證每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的管腳都被連接。

　　使用這個(gè)隨機(jī)網(wǎng)表，在innovus平臺(tái)進(jìn)行布局，通常布局的密度從小到大。先使用較小的布局密度，這時(shí)標(biāo)準(zhǔn)單元放在一起的幾率不大，可以檢查標(biāo)準(zhǔn)單元本身的連通性。然后逐步增加布局密度，這時(shí)標(biāo)準(zhǔn)單元放在一起的幾率增大，可以檢查標(biāo)準(zhǔn)單元之間的相互影響。

　　在布線階段，通過(guò)參數(shù)設(shè)置，來(lái)限制管腳連接的方向和位置，可以實(shí)現(xiàn)特定目的的測(cè)試。也可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)模擬實(shí)際芯片設(shè)計(jì)時(shí)的場(chǎng)景，比如，增大連接線的寬度，增加過(guò)孔的數(shù)量，添加靜電隔離線，等等，從而盡可能再現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

　　如果標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的管腳連通性出現(xiàn)問(wèn)題，innovus會(huì)在管腳處留下違規(guī)標(biāo)記。我們可以根據(jù)違規(guī)標(biāo)記找到對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則，對(duì)管腳的形狀進(jìn)行分析，研究如何改進(jìn)管腳的形狀來(lái)避免管腳引線觸發(fā)設(shè)計(jì)規(guī)則。如果芯片單元的管腳受空間限制，不能夠進(jìn)行更改，則研究是否可能通過(guò)增加布局布線的約束條件來(lái)避免出現(xiàn)這些場(chǎng)景。

　　3 隨機(jī)網(wǎng)表的產(chǎn)生

　　隨機(jī)網(wǎng)表使用verilog語(yǔ)言描述，下面是一段連接關(guān)系的例子。

　　supply0 VSS；

　　supply1 VDD；

　　NR 01 （.A1（41），.A2（VSS），.ZN（01），.A3（86） ）；

　　AD 02 （.S（02），.A（47），.CO（03），.B（44） ）；

　　QD 03 （.CP（50），.Q（04），.D（71），.DN（VDD） ）；

　　ND 04 （.DN（83），.CP（clk），.Q（05），.D（38），.SDN（58） ）；

　　RD 05 （.A1（72），.A2（56），.A4（12），.ZN（06），.A3（56） ）；

　　用驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)端作為起點(diǎn)， 遍歷標(biāo)準(zhǔn)芯片單元庫(kù)里的標(biāo)準(zhǔn)單元，連接到驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)管腳上。當(dāng)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到上限時(shí)，停止遍歷標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)，把被驅(qū)動(dòng)單元的管腳連接到接收單元上。再使用驅(qū)動(dòng)單元作為新的起點(diǎn)，重復(fù)上面的步驟，生成新的連接關(guān)系。由于管腳之間的連接關(guān)系是隨機(jī)選取的，遍歷單元庫(kù)的次數(shù)越多，標(biāo)準(zhǔn)芯片單元被兩兩互聯(lián)的幾率越大。

　　在隨機(jī)網(wǎng)表中，驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元，這些連接沒(méi)有實(shí)際意義的邏輯關(guān)系，只是為了把芯片的管腳連接在一起。圖5是一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的例子。在布局后，這些標(biāo)準(zhǔn)芯片單元分布在芯片的各個(gè)角落，在布線后，被實(shí)體金屬線連接在一起。

　　4 重點(diǎn)芯片單元的選取

　　如果標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的管腳設(shè)計(jì)對(duì)布局布線不友好，布線工具會(huì)把管腳連接上，同時(shí)留下違規(guī)標(biāo)記；或者讓管腳懸空，同時(shí)留下管腳懸空標(biāo)記。在布局布線后，通過(guò)布線工具留下的違規(guī)標(biāo)記，可以找到有問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)芯片單元。

　　有些管腳的連接性問(wèn)題是受它的周邊環(huán)境的影響，也就是說(shuō)，這些管腳隨著它的周邊環(huán)境變化，有的時(shí)候出現(xiàn)連通性問(wèn)題，有的時(shí)候又可以正常引出。innovus平臺(tái)提供了一個(gè)功能來(lái)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元在芯片中出現(xiàn)的次數(shù)和出現(xiàn)連通性問(wèn)題的頻率。表1是一個(gè)innovus報(bào)告的例子，報(bào)告中列舉了設(shè)計(jì)規(guī)則違規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)單元的出現(xiàn)次數(shù)和違規(guī)頻率。違規(guī)頻率越高，表明這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元越容易出錯(cuò)。

　　由于標(biāo)準(zhǔn)芯片的組合非常多，窮舉所有的組合進(jìn)行測(cè)試顯示不大現(xiàn)實(shí)。假如一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元庫(kù)有300個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元在布局有4種翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，也就是有1 200種芯片單元放置狀態(tài)。考慮兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元兩兩相鄰的情況，這些場(chǎng)景就有超過(guò)100萬(wàn)，而實(shí)際上每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元周邊可以擺放8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元， 那么就是所以需要選取重點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)芯片單元來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

　　在選取重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元時(shí)，設(shè)計(jì)規(guī)則和設(shè)計(jì)規(guī)則違規(guī)頻率是兩個(gè)重要的考慮因素。我們賦予設(shè)計(jì)規(guī)則類(lèi)型不同的權(quán)重，如表2所示。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則違規(guī)出現(xiàn)的頻率，來(lái)進(jìn)行權(quán)重的修正。

　　根據(jù)重點(diǎn)芯片的權(quán)重，我們把權(quán)重大于0.1的標(biāo)準(zhǔn)芯片單元選取出來(lái)，生出更多的隨機(jī)網(wǎng)表來(lái)增加布局布線的場(chǎng)景覆蓋率。對(duì)于權(quán)重大于0.5的標(biāo)準(zhǔn)芯片單元，我們會(huì)生成特定的場(chǎng)景來(lái)檢測(cè)芯片單元放在一起時(shí)的連通性。

　　5 重點(diǎn)芯片連通性的檢測(cè)方法

　　對(duì)于重點(diǎn)芯片，我們通過(guò)遍歷芯片的擺放位置， 來(lái)檢測(cè)芯片周邊環(huán)境的影響。圖6所示，標(biāo)準(zhǔn)芯片單元繞Y軸翻轉(zhuǎn)，有兩個(gè)擺放狀態(tài)。如果兩兩相鄰的話，共有4種組合。

　　本方法遍歷所有的重點(diǎn)芯片單元，每種組合生成一個(gè)網(wǎng)表。在布局時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)芯片單元兩兩相鄰。布線后檢查芯片管腳的連通性，如果Innovus檢查出有設(shè)計(jì)規(guī)則違規(guī)，則輸出設(shè)計(jì)規(guī)則違規(guī)報(bào)告文件，自動(dòng)保存布線后的數(shù)據(jù)以備進(jìn)一步分析使用。

　　6 芯片聯(lián)通性問(wèn)題的處理

　　連通性問(wèn)題通常是由不合理的管腳形狀引起。如圖7（a）所示，在使用過(guò)孔連接中間位置的管腳時(shí)，過(guò)孔會(huì)觸發(fā)過(guò)孔和相鄰金屬之間的設(shè)計(jì)規(guī)則。在使用金屬線連接中間位置的管腳時(shí)，如圖7（b）所示，則會(huì)觸發(fā)金屬線和金屬線之間的設(shè)計(jì)規(guī)則。

　　對(duì)上面這個(gè)管腳設(shè)計(jì)，有兩種改進(jìn)方案，一種是把中間的這個(gè)管腳往下移動(dòng)，或者增大管腳面積，這樣在用過(guò)孔連接管腳的時(shí)候，可以把過(guò)孔向下方挪動(dòng)一些，以避免觸發(fā)過(guò)孔和金屬線之間的設(shè)計(jì)規(guī)則，如圖8（a）所示。或者如圖8（b）所示，把相鄰的管腳剪除一些，這個(gè)管腳往下引線的時(shí)候，可以避開(kāi)金屬線端頭和金屬線之間的設(shè)計(jì)規(guī)則，同時(shí)這條引線可以和相鄰的金屬線保持一點(diǎn)距離，允許使用過(guò)孔往高層跳線。

　　如果管腳的連通性問(wèn)題是由于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元擺放在一起引起的，同時(shí)受限于版圖空間的限制，管腳的形狀無(wú)法改變。這時(shí)我們采用增加布局布線約束的方法來(lái)阻止這種場(chǎng)景出現(xiàn)。如圖9（a）所示，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元相鄰放在一起，中間兩個(gè)短的管腳無(wú)法被連接。通過(guò)增加布局布線的約束，在標(biāo)準(zhǔn)單元的邊界上增加約束條件，在布局的時(shí)候，不允許這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的邊界放在一起，從而留出大的空間來(lái)連接這兩個(gè)短的管腳。

　　7 本方法的優(yōu)缺點(diǎn)和可能改進(jìn)的方面

　　本方法可以快速地生成隨機(jī)網(wǎng)表，在標(biāo)準(zhǔn)芯片單元開(kāi)發(fā)的早期階段，使用innovus平臺(tái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單元的連通性進(jìn)行檢測(cè)分析。本方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易用，標(biāo)準(zhǔn)芯片單元的連通性問(wèn)題比較直觀，方便統(tǒng)計(jì)分析；缺點(diǎn)在于運(yùn)算量比較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景全覆蓋測(cè)試，隨機(jī)網(wǎng)表比較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法布局布線的情況。可能改進(jìn)的兩個(gè)方面：一是在產(chǎn)生隨機(jī)網(wǎng)表時(shí)，盡可能模擬實(shí)際的邏輯電路，避免出現(xiàn)不能布局布線的情形。二是優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在盡可能減少運(yùn)算量的情況下，增加場(chǎng)景的覆蓋率。

　　8 結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了一種標(biāo)準(zhǔn)芯片單元可連通性的檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)芯片單元庫(kù)的全覆蓋檢測(cè)，通過(guò)優(yōu)化算法，可以在減少芯片測(cè)試工作量的前提下，實(shí)現(xiàn)90%以上的隨機(jī)場(chǎng)景再現(xiàn)。在標(biāo)準(zhǔn)芯片單元檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用中，有效地捕獲了標(biāo)準(zhǔn)芯片單元連通性的問(wèn)題，通過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)芯片單元庫(kù)廠商合作，改進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)的單元版圖設(shè)計(jì)，從而提高的芯片設(shè)計(jì)的效率和芯片的制造良率。