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介绍完全定制设计之后

我接下来要介绍半定制设计

半定制设计

又可以进一步分为两个部分

分别是基于单元的设计方法

和基于阵列的设计方法

基于单元的设计方法又可以分成两类

标准单元以及编译单元和宏单元

我先介绍基于单元的设计方法

这些是反相器的版图

这些是标准单元

半定制设计意味着

我们可以在工具的辅助下

从库中选取我们所需要的单元

例如这是一个反相器

1X代表反相器的驱动能力

意为标准水平的一倍

2X反相器意思是

这个反相器的驱动能力是这一个的两倍

然后3X是这个的三倍

根据你的需求

EDA工具可以自动地从库中

挑选出出所需的反相器

这边也是一样的

这些是

二输入NAND 三输入NAND和四输入NAND的版图

NAND意思是与非门

EDA工具可以从库中自动按照需求

挑选相应的与非门

这张胶片

展示了标准单元库是什么样的

从这张表中你可以看到

如果我们知道电容和上升/下降时间

又称为翻转时间

然后EDA工具

就能利用这些参数计算传输延时

例如这里

可以用这个参数和这个参数计算TPLH

意思是从低到高的传输延时

这是意法半导体公司提供的标准单元库

这是一个单元的结构

单元在互连层之下

我们现在只能看到金属层

这里是电源驱动,这里是电源网格

在这层之下

我们能看到很多标准单元

这张胶片告诉我们什么是编译单元

虽然这一方法并不常用

但还是很有用的

你可以看到初始的晶体管图形

然后我们放上所有的晶体管

NMOS晶体管和PMOS晶体管

然后我们用飞线把晶体管连接起来

作为我们所期望的互连

然后工具会遵循与设计者

相同的流程进行设计

在布局之后

根据飞线把不同的终端节点连接起来

然后我们就能压缩单元

使之符合代工厂的设计规则

最后我们在连线之间打孔（完成不同层的互连）

这样我们就得到最终设计好的单元

这就是一个编译单元

接下来我将介绍宏单元

第一个是软宏单元

软宏单元或者软宏模块

指的是你可以定义参数

还可以使用软件代码

然后自己对软宏代码

进行综合与布局布线

这样你可以指定不同长宽比

例如这是个8×8booth乘法器

这个是正方形的,这是长方形的,是吧？

软宏模块与硬宏模块相反

硬宏模块意味着

你不能改变长宽比

不能改变版图，不能改变参数

你能做的只有将模块嵌入

或添加到最后的设计中

举个例子,这有一个数据SRAM

这有一个数据SRAM

这是一个宏模块指令SRAM

这是嵌入式处理器和ASIC模块

这个芯片是由我的团队设计的

这是一个无线传感器网络节点

你能看到有很多宏模块

例如微处理器

DMAC模块和无损JPEG压缩模块

这些都是宏模块

基于单元、宏模块和编译单元

我们就有了基于单元的设计流程

我们先有设计的硬件描述，我们需要先写HDL代码

然后可以做逻辑综合

随后我们就可以进行版图规划

布局和布线

我们有设计版图之前的前仿真

和版图完成之后的后仿真

布线之后我们可以提取

版图上电容和电阻等寄生参数

然后再进行一次后仿

在几次设计迭代之后

我们就可以得到最终的设计

这张胶片展示的是设计收敛性问题

你可以看到在初始设计中有白色的线

这代表设计违规

例如时序违规

在几轮迭代之后

我们可以通过插入缓冲器 移除一些逻辑电路

约束布局和减少布线长度

直到得到最终的正确设计

这就是最终设计

这张图显示出

在EDA工具的帮助下可以通过迭代去除时序违规

你们可能会问

为什么基于单元的半定制设计方法这么流行

这要归功于

成熟的逻辑综合和物理综合工具的出现

以及自动布局布线EDA工具性能的不断提升

这是另一种设计流程，称作物理综合

物理综合指的是一开始你进行布局规划

或者非常粗糙的布局和布线

在这基础之上

你能从版图中提取信息

Then use that information,
然后将这些信息

交给综合器进行编译

这被叫做

带有布局布线信息的网表

在这基础之上你可以进行更加精确的综合

这叫做物理综合

在物理层面进行的整体综合

这个我之前给你们看过了

是JPEG2000编码器

这里有标准单元 编程逻辑

and we have SRAM here and SRAM here
在这里和这里有SRAM

这些是宏模块

事实上是硬宏模块

我们采用的设计方法是逻辑和物理综合

加上自动布局和布线

接下来我们介绍基于阵列的半定制设计

因为预扩散技术

例如门阵列在今天实际上已经很少使用了

我就跳过着一点

我将介绍预连线逻辑

例如FPGA,你们可能已经听说过了

这是现场可编程门阵列的缩写

预连线逻辑的定义像这个一样

所以基于存储器技术

我们有基于熔丝,基于非易失性EPROM的,基于RAM的……

对于可编程逻辑的类型

我们有基于阵列的和基于选择器的

对于可编程互连线的类型

我们有通道布线型和网状连线型的

我先介绍基于熔丝的

基于熔丝的内存技术

这张胶片显示了一个导体

这是反熔丝多晶硅，是导体

这里是另一个导体

叫做反熔丝扩散区

在导体之间

我们有ONO绝缘介质

ONO指的是氧化物一氮化物一 氧化物

这是不导电的 默认是断开的

如果我们在节点间加上电压

我们将获得

一个通过ONO介质的电流

介质将会融化

在多晶硅与扩散层之间的

电流将会导通

节点默认断开

通过电流脉冲后导通

这就是基于熔丝的设计

接下来我将介绍可编程逻辑型的器件

有不同的可编程逻辑设计

第一个是PLA 可编程逻辑阵列

这是一个可编程AND阵列

这是个可编程OR阵列

这是PROM

有一个固定的AND阵列

和一个可编程的OR阵列

在PROM中你可以对OR阵列进行编程

但是在PLA中

你可以同时对AND阵列和OR阵列进行编程

在Pal中

你只能对AND阵列进行编程

OR阵列是固定的

我下面给你一个例子

这是个固定的AND阵列

要如何计算f0?

这个节点的函数等于X0 与 X1 与 X2

这个节点等于X0 与 X1 与 X2反

这个节点X0 反与 X1 与 X2反

最后我们可以通过某些计算得到f0的表达式

f0的表达式是X0与X1或X2反

这就是我们使用固定AND阵列的方法

接下来我们可以用多路选择器对逻辑进行编程

这是个非常简单的多路选择器

我们有两个输入端

和一个用来控制

选择哪个输入的控制信号节点

根据多路选择器的选择表

我们可以知道F等于A与S反或上B与S

根据这一表达式

我们有这样的选择表

例如

如果输入A等于1,B等于0,S等于Y

我们可以知道这实际上就是一个反相器

通过这种方式我们可以利用

多路选择器来对逻辑进行编程

使用查找表也是一样的

这是个查找表

我们可以把值存储在存储器里

例如,0110 如果输入是00,输出就是0

如果输入01 输出等于1

如果输入等于10 输出1

如果输入11 输出0

这实际上实现了一个非常重要的函数

这是一个异或门

所以查找表示一个常见的

用来实现可编程逻辑阵列的方式

来看一个例子

这是一个Xilinx公司FPGA的CLB

可配置逻辑单元

在这里和这里都是LUT 查找表

这里也有一些查找表和寄存器

利用这些查找表

我们可以实现非常复杂的函数

最后

我要介绍可编程互连线器件

通道布线型是常用的

网状连线型是最常用的

对于通道布线型

这是一个例子

这里和这里是单元

那么我们怎么连接这两个单元

我们可以用这样电路或者结构

这是一个NMOS晶体管

如果我们在这里加高电压

那么这一节点就和这一节点相连

就导通了

如果这里的输入电压等于零,也就是低电平

晶体管就关断了

利用这一技术

我们可以实现可编程的互连线

这是FPGA

我们有开关和互连模块

这里你可以看到很多NMOS晶体管

被用作开关

稍后我会介绍晶体管

其实就是一个开关

我们可以用高电压使之导通

也可以用低电压使之关断

这是一个实际的FPGA设计

这是基于RAM、查找表和网格互连的

这是我给你们看过的JPEG2000编码器

这是一个Virtex IIFPGA,现在看来已经很古老了

但我想说的是

这些技术都非常常用

可能你要问,如果设计自动化

我的意思是半定制设计

自动化可以解决所有的设计问题

我们为什么还要考虑数字电路设计

如果设计工具可以完成所有工作

我们为什么还要学习

半定制设计或者全定制设计

这是因为我们的专业是微电子

我们需要知道如何自己设计芯片

例如,库

我们怎么设计一个速度最快

功耗最小或者面积最小的芯片

这就是我们的工作，设计和实现器件库

而且建立对单元和模块进行合适的建模

我们必须对这些内部的

工作原理有深入了解

还有其他人

例如其他专业

而不是微电子专业的人也在做电路设计

所以我们必须

对晶体管 电路和库的内部工作原理进行更深入的分析

有更深入的了解

还有一些别的问题

基于抽象的设计

只是当前在某些程度上是正确的

这也是我们为什么需要设计心得方

对电路进行等比例缩小时现

有抽象模型的一些缺陷也会凸显出来

新的设计问题和设计约束也会随着时间显现

而且我们还需要学会维护电路对吧

这就是问题所在

即使我们已经有非常强的工具了

这就是为什么我们需要学习数字电路设计

事实上在实际的电路设计中

因为等比例缩小技术

使用设计工具

已经变得越来越困难