标准单元组合设计

《建筑学名词》第二版。 2100433B

为保证实验用房具有适应性的设计原则，即从当前和长远科学实验工作内容、仪器设备及人员的发展变化出发，综合考虑确定实验用房的三维空间尺寸、实验室建筑设备及实验仪器设备的布置、建筑结构选型、公用设施供应方式等。

从图1可以大致了解标准单元的种类。一般来说各种门电路，触发器及各种I/O单元是一个标准单元库所必须的配置，这些配置可以满足一个纯数字电路ASIC电路的设计需要，其他宏单元（含模拟宏单元）在许多工艺线往往有作为IP形式提供，所以也可以不完全纳入标准单元库中 。

图1 单元库种类

a）标准单元

标准单元包括反相器、与门、寄存器、选择器、全加器等多种基本单元，每一个标准单元对应着多个不同尺寸(W/L)、不同驱动能力的单元电路，而且不同驱动强度电路都是基本尺寸或最小尺寸的整倍数。 单元库的多样性可以有效提髙综合工具和自动布局布线工具的效率，同时也使得设计者可以更加自由地在性能、面积、功耗和成本之间进行优化。

为了实现工具的自动布局布线，建库时即在标准单元版图设计时有许多特殊的设计规则，大致如下：

1. 所有单元都是等髙的矩形,或者髙度是基本高度的整数倍，以确保电路设计阶段不会使用其他非常规的尺寸。

2. 为保证各单元与其他单元放置时不引起 DRC错误,所有版图要用预先定义的模板进行设计，

3. 由于经典布线器采用基于网格的方法进行布线连接，这一方法可以简化布线工具的算法，减小计算机占用的内存资源。 因此所有单元的输人输出端口的位置、大小、形状都尽童满足网格间距的要求，以提高布线器的效率.

4. 电源线和地线一般位于单元的上下边界，以便于连接共享，减小芯片面积。

b) 模块单元

模块单元(block)包括各种规模的数字模块:RAM、ROM、COT、IP、电压比较器等，也包括模拟模块:运算放大器、ADC/DAC、锁相环、振荡器等。

模块单元的版图实现及其物理建库与标准单元相似。对于 RAM 或 ROM模块单元的建库，可以仿照标准单元的过程，先建立RAM或ROM基本单元，再根据比特(bit)长和字(word)长，用半自动化的方法自底向上堆砌生成版图。对于具有特殊要求的数字模块，如IP和COT 模块，则通过全定制的方法建立版图供建库使用。

c）I/O单元

芯片与印刷电路板通信的接口电路统称为 I/O 电路。它作为芯片与外界通信的接口必须具有较大的驱动能力，抵御静电放电的能力，抗噪声干扰的能力以及足够的带宽和过电保护功能。 I/O 的种类包括输入 1/0、输出 I/O、双向输人输出 I/O、供电 I/O 和接地 I/O。I/O的组成大致可分为三部分，即 PAD接口、信号缓冲电路和静电放电保护电路 ESD。

标准单元设计的不足之处在于：

(1)标准单元设计的原始投入大于门阵列设计。单元库的开发需要大量的人力和物力，而且在工艺飞速发展的今天，能否建立在较长时间内适应技术发展和应用要求的单元库是一个值得考虑的问题。

(2)标准单元库的成本比门阵列高。门阵列的掩膜版只需要2～4块，而标准单元所用掩膜版全部需要定制，芯片加工也需经历全过程，因此成本较高。

(3)标准单元设计单元布置和布线优化通常更加复杂。 2100433B

标准单元通常可以应用在数字电路设计中的综合和布局布线阶段。

在使用布局级网表和单元级库版图，布线工具可以增加信号连接线和电源线。