賀愷華 ，丁學(xué)偉 ，2

（1.深圳市中興微電子技術(shù)有限公司IP設(shè)計部，廣東 深圳 518055；2.移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室，廣東 深圳 518055）

0 引言

隨著芯片工藝的發(fā)展，數(shù)?；旌闲酒械臄?shù)字和模擬模塊（Block）已經(jīng)沒有明顯的區(qū)分界限，很多情況下，模擬模塊的內(nèi)部會包含數(shù)字模塊，隨之而來的問題是需要大量時間和精力解決在數(shù)字和模擬模塊之間數(shù)據(jù)交互的問題和彼此database的兼容性。同時先進工藝下隨著double pattern 等特性的引入，模擬版圖的實現(xiàn)變得更加復(fù)雜，而如何提高效率，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性也變得更加重要。

1 5 nm工藝下數(shù)模芯片的挑戰(zhàn)及MSOA Rapid PDK flow的重要性

1.1 5 nm工藝下數(shù)模芯片的挑戰(zhàn)

5 nm工藝下模塊之間數(shù)據(jù)交互難度更大，需要的步驟和潛在的問題會越來越多。

1.1.1 數(shù)據(jù)的傳遞和管理

（1）5 nm設(shè)計模塊在物理實現(xiàn)時，對模塊的形狀和pin

5 nm 模擬設(shè)計中需要用到越來越多的自定義數(shù)字模塊，同時Boundary cell、Filler 和Dcap 等physical 種類繁多，在使用時，不同的物理位置需要填充不同的physical cell，因此需要版圖設(shè)計工程師花費大量的時間在自定義數(shù)的擺放有更多DRC 等要求，而且GDS stream in 和out 需要更長的時間。

（2）由于Virtuoso 和Innovus工具所需要的techfile 文件不同，同時5 nm 存在double patten 等現(xiàn)象，使得數(shù)模交付時使用的LEF 和DEF 文件在import 和export的過程的復(fù)雜度和難度都有增加，需要設(shè)計人員花費大量時間進行debug。

（3）即便是很小的改動，交付數(shù)據(jù)的版本必須保留Innovus 和Virtuoso 兩個版本，而數(shù)模芯片多層次數(shù)字模擬block 嵌套會導(dǎo)致版本追蹤困難。

1.1.2 自定義數(shù)字模塊集成字模塊的集成以及physical cell 添加等重復(fù)性問題上。

1.1.3 模擬頂層繞線

5 nm 數(shù)模芯片設(shè)計復(fù)雜性和芯片面積的增加都會導(dǎo)致模擬頂層有很多繞線需求，而使用傳統(tǒng)的手動方式實現(xiàn)繞線會降低版圖實現(xiàn)效率，加大工作難度。

1.2 傳統(tǒng)flow 和MSOA RapidPDK flow的區(qū)別

1.2.1 傳統(tǒng)flow

（1）數(shù)模工具所需的TechFile 不同：Innovus 調(diào)用的是foundary 提供的tlef 文件，而Virtuoso 調(diào)用的是foundary 提供的basicPDK。

（2）難度明顯增加：和以往的工藝相比，模擬電路的layout 實現(xiàn)需要更多的資源和精力。

（3）數(shù)模在前期設(shè)計階段RC 抽參方式不同：對于模擬design，RC 抽參只能在layout LVS Pass 后進行，數(shù)字design 可以在LVS pass 前，進行門級抽參。

1.2.2 MSOA flow

（1）相同的TechFile：無論Innovus 還是Virtuoso 都使用OAdb 進行數(shù)據(jù)保存，調(diào)用的techfile 都是MSOA RapidPDK。

（2）提高效率：Innovus engin 可以協(xié)助模擬工程師實現(xiàn)大規(guī)模低要求的繞線，同時通過腳本完成大量重復(fù)性工。

（3）模擬設(shè)計通過數(shù)字Innovus工具可以對版圖進行門及RC 抽參，此種情況下不需要LVS Pass。

2 MSOA flow的環(huán)境設(shè)置

2.1 模擬設(shè)計環(huán)境設(shè)置

添加Innovus 相關(guān)設(shè)置：

2.2 數(shù)字環(huán)境設(shè)置

添加Virtuoso 相關(guān)設(shè)置：

2.3 特別注意

相同OAdb Innovus 和Virtuoso 保存目錄需要一致，使用相同的library name、cell name 和view name。

3 MSOA RapidPDK 生成以及驗證

MSOA flow 需要Innovus 和Virtuoso 都調(diào) 用MSOA RapidPDK 進行設(shè)計和數(shù)據(jù)保存，因此MSOA RapidPDK 需要同時包含Techlef 和Basic PDK。

3.1 MSOA RapidPDK 生成方式

（1）生成RapidPDK

5 nm工藝可以使用Cadence lef2oa工具快速將兩者結(jié)合生成新的MSOA RapidPDK。

（2）生成MSOA 格式stdcell 和Macro abstract

MSOA flow 不僅需要調(diào)用MSOAPDK，同時需要對design 中所有用到的lib cell 進行OA的轉(zhuǎn)換。

（3）MSOA RapidPDK 生成過程中遇到的所有的error和warning 都要留意，WARNING：（OALEFDEF-23174）已經(jīng)和Cadence 確認(rèn)可以忽略。

3.2 MSOA RapidPDK驗證

3.2.1 Innovus dumped techlef驗證

（1）在Innovus 中分別對OAdb 和傳統(tǒng)的LEF-DEF db使用如下命令生成tlef，并進行tkdiff 比較驗證。

write_lef_library -tech_only -ordered 1 xxx.tlef

下述幾種mismatch 已經(jīng)和cadence 確認(rèn)可以忽略

①VIA 尺寸不同：如果比較時發(fā)現(xiàn)VIA的高度坐標(biāo)不同，但VIA shape的高度值是相同的，則可以忽略，兩者實際只是相對坐標(biāo)不同而已。②USEVIA 不同：USEVIA是Innovus工具自動生成的屬性，只要后續(xù)DRC 檢查中VIA 沒有violation 則可以忽略。③SPACING 缺失：MSOA 生成的tlef 中會有spacing 缺失，但在tlef的其他地方有對SPACING的定義，因此可以忽略。

3.2.2 Virtuoso QA驗證

使用MSOA RapidPDK Re-attach design library，和傳統(tǒng)方式下attachPDK的library 進行LVS 和DRC 結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)兩種方式結(jié)果一致。

3.2.3 Innovus QA驗證

（1）分別使用傳統(tǒng)LEF-DEF 方式和MSOA flow的方式進行init 到postroute 階段的數(shù)字模塊設(shè)計。（2）對兩種方式生成的數(shù)據(jù)進行DRC 和LVS驗證，并比較DRC的類型和數(shù)量。（3）分析DRC 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種flow 產(chǎn)生DRC的類型相同而數(shù)量不同，但深入了解MSOA flow和LEF-DEF flow 可知兩者在place 和route 階段處理方式上存在差異會導(dǎo)致DRC的數(shù)量有不同。

3.2.4 Innovus 使用相同database 分別對OA 格式和LEF-DEF 格式進行比較

將傳統(tǒng)LEF -DEF flow 生成的database 進行OA database的轉(zhuǎn)換，比較兩者LVS 和DRC的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)兩種方式結(jié)果一致。

4 5 nm MSOA flow在項目中的實際應(yīng)用評估

通過對實際5 nm 項目中的模擬模塊進行詳細(xì)分析、評估，最終整理出針對模擬設(shè)計的MSOA flow 相關(guān)規(guī)范和約束，通過搭建相關(guān)自動化flow 提升模擬版圖設(shè)計效率。

4.1 前期分析

5 nm MSOA flow 評估主要針對如下兩點：

（1）5 nm 模擬設(shè)計效率提升

①評估Innovus 布局和布線在模擬設(shè)計中的應(yīng)用場景；②通過評估MSOA flow 建立高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)管理和傳遞流程；③嘗試通過腳本實現(xiàn)模擬設(shè)計自動化和標(biāo)準(zhǔn)化。

（2）MSOA flow 通用設(shè)計規(guī)范的建立

通過評估，建立5 nm MSOA RapidPDK flow 通用設(shè)計規(guī)范。

4.2 具體設(shè)計評估過程

4.2.1 基于網(wǎng)表的Mix Signal Design

傳統(tǒng)的LEF-DEF flow 和MSOA flow在調(diào)用Innovus工具時，所需要的命令和存儲方式主要區(qū)別見表1。

表1 LEF-DEF Flow 和MSOA flow的對比

傳統(tǒng)Lef-def flow 保存的database 也可以用OA的方式打開以及存儲，示例如下：

4.2.2 基于Schematic的Mix Signal Design

MSOA flow 和傳統(tǒng)模擬設(shè)計flow 主要區(qū)別是attatch PDK 不同，見表2。

表2 傳統(tǒng)flow 和MSOA flow的對比

傳統(tǒng)Virtuoso flow 保存的layout 也可以使用OA的方式通過Innovus工具打開以及存儲，示例如下：

4.2.3 基于Schematic的custom digital block設(shè)計

在5 nm設(shè)計中，很多模擬模塊是通過需要調(diào)用自定義的數(shù)字cell 進行設(shè)計，這類模塊可以統(tǒng)一為custom digital block，評估過程中將其內(nèi)部調(diào)用的custom digital cell 參考數(shù)字stdcell的方式進行規(guī)范化處理，使Innovus可以對這類block 進行自動布局布線，處理方式如下：

（1）使用abstract generater 對所有custom digital cell 提取lef 文件；

（2）由于5 nm 是double patten，因此LEF 中一定要有FIXEDMASK 屬性，對底層金屬color lock；

（3）創(chuàng)建Innovus自動布局布線時所需要的site 定義，舉例如下：

規(guī)范化處理custom digital cell 后，使用innovus 對custom digital block 進行自動布局布線，包括使用TCL 腳本的方式添加physical cell、電源地線等，輸出結(jié)果如圖1～圖3 所示。

圖1 Custom digital block Schematic View

圖2 custom digital block open in Innovus

圖3 custom digital block open in Virtuoso

4.2.4 基于Schematic的custom stdcell設(shè)計

5 nm custom digital block 評估過程中中調(diào)用的custom stdcell的創(chuàng)建也可以用MSOA flow 通過調(diào)用Innovus 實現(xiàn)自動布線，可以通過添加routing 相關(guān)constraint 對工具繞線方式進行約束，滿足designer 需求，如圖4、圖5 所示。

圖4 custom stdcell open in Innovus

圖5 custom stdcell open in Virtuoso

4.2.5 基于Schematic的Innovus 繞線和效率提升

5 nm工藝下模擬設(shè)計的block在復(fù)雜度、net 數(shù)量和面積方面都有大幅度提升，如果一味地要求版圖工程師使用手動或者VSR的方式在Virtuoso 中繞線，會使整個block設(shè)計所需的人力和精力相較之前的工藝都有所增加，而Innovus NanoRoute 引擎對于大規(guī)模繞線有較好的處理方式，因此在模擬設(shè)計中對走線精度要求較低的大規(guī)模芯片可以采用Innovus 進行自動化繞線大幅度提高速率，節(jié)省人力，同時也可以添加相關(guān)constraint 約束Innovus 繞線的方式。

Innovus NanoRoute 目前支持的繞線方式有：NDRrouting，shielding，differential pair match length，resistance match，layer match，bus routing，length control。相關(guān)約束命令舉例如下：

4.2.6 基于Schematic design的數(shù)據(jù)集成

（1）schematic-driven 和netlist-driven design 通過OA db可以代替GDS 文件實現(xiàn)database的傳遞，這樣無論數(shù)字還是模擬工程師在打開彼此數(shù)據(jù)時的速度都會有所提升。

（2）schematic-driven的block 可以通過Innovus 中提取LEF/DEF的相關(guān)命令來生成數(shù)字所需要的LEF/DEF 文件，同時生成的文件在一致性和準(zhǔn)確度方面都有所提升，文件中也不會包含純模擬相關(guān)的數(shù)據(jù)，影響數(shù)字工具使用，相關(guān)命令如下：

（3）Innovus 中在5 nm工藝下對double patten 有add_track的定義，通過參考Innovus 中對track的定義，可以在Virtuoso 中添加對應(yīng)的WSP rule，避免了數(shù)模之間交互時遇到的很多DRC 問題。

4.3 模擬版圖設(shè)計使用MSOA flow 時的相關(guān)規(guī)范

下述模擬設(shè)計的規(guī)范是在5 nm MSOA flow 評估過程中整理出來的相關(guān)約束條件，可以幫助MSOA flow在5 nm設(shè)計中得到更廣泛的應(yīng)用。

4.3.1 Schematic 規(guī)范

（1）Power 和Ground pin 必須是Power Ground 屬性，不能定義為signal。

（2）對于signal pin 必須使用tie cell 進行VDD/VSS的連接，不可直連。

4.3.2 版圖規(guī)范

（1）使用generate from source 創(chuàng)建layout，保留Schematic的連接關(guān)系。

（2）避免使用pcell的方式創(chuàng)建VIA，Innovus 會將pcell識別為block，而丟失net 連接關(guān)系。

（3）必須使用create->P&R objects的方式創(chuàng)建pr boundary，且pr boundary的原點在（0 0）。

（4）Block type design的pin shape 必須在邊界。

（5）使用create->pin 來創(chuàng)建pin，且pin的金屬層次需要在M0 或M0 以上。

（6）Power nets 使用geometric nets 即create->shape->path 創(chuàng)建，確保"part of a route"為false.

（7）signal nets 使用symbolic type route，即create->wiring->bus/wire.

（8）確保Schematic 和layout 之間關(guān)系是XL complience。

4.3.3 Abstract 規(guī)范

AbstractView 必須確保color lock，對應(yīng)的LEF 中有FIXEDMASK 屬性。

4.4 MSOA flow 相關(guān)腳本輸出

（1）創(chuàng)建自動化flow 相關(guān)的TCL 腳本，將重復(fù)性操作統(tǒng)一腳本化，優(yōu)化整個flow，讓模擬工程師通過簡潔的操作界面調(diào)取相關(guān)的Innovus/Virtuoso 腳本。

（2）使用TCL/PERL 腳本實現(xiàn)模擬工程師在Innovus 中自動生成power mesh、endcap、welltap、filler 等physical cell，為模擬設(shè)計師提供流程上更多選擇性，相關(guān)腳本參考：

（3）通過參考Innovus 中對track的定義，在Virtuoso 中使用skill 語言規(guī)定WSP rule，幫助項目中模擬工程師在繞線時避免DRC violation，相關(guān)腳本參考：

4.5 Virtuoso 中通過VDI 啟動Innovus

對于數(shù)字工程師來說，通常直接使用bsub的方式啟動Innovus 就可以對數(shù)字block 進行編輯，而模擬工程師對Virtuoso GUI 界面的操作更加熟練，使用Virtuoso 中自帶的VDI 也可以直接啟動Innovus，load Innovus 相關(guān)腳本命令，后續(xù)使用方式和直接啟動Innovus 相同，如圖6～圖9 所示。

圖6 Open VDI in Virtuoso

圖7 MSOA flow VDI 相關(guān)配置（1）

圖8 MSOA flow VDI 相關(guān)配置（2）

圖9 MSOA flow VDI 調(diào)用的相關(guān)腳本

5 5 nm MSOA flow在模擬block 中效率提升總結(jié)

5.1 custom digital block

針對custom digital block，分別嘗試使用傳統(tǒng)Virtuoso flow 和MSOA Innovus flow 完成版圖物理實現(xiàn)，結(jié)果如表3所示。嘗試了布局布線，以及physical cell 擺放等全流程，發(fā)現(xiàn)MSOA flow在physical cell 擺放時通過自動化腳本可以大幅縮減擺放時間，提升效率。

表3 custom digital block 評估結(jié)果

5.2 custom stdcell

該階段主要嘗試了傳統(tǒng)flow Virtuoso 布局布線和使用MSOA Innovus flow 進行布局布線的效率比較，評估結(jié)果如表4 所示。發(fā)現(xiàn)在繞線階段，如果對custom stdcell的繞線要求較低，沒有定制化需求則使用MSOA flow 方式會有大幅效率提升，但同時由于MSOA flow 有相關(guān)規(guī)范需求，因此在初期需要話較多時間滿足MSOA 規(guī)范要求。

表4 custom stdcell 評估結(jié)果

5.3 數(shù)據(jù)傳遞

該階段主要嘗試使用Innovs 和Virtuoso 分別開啟模擬和數(shù)字的OA database，和傳統(tǒng)使用GDS 方式比較速率提升，同時嘗試使用Innovus的方式輸出模擬OA db的LEF和DEF 文件交付給數(shù)字后端進行調(diào)用，比較LEF 和DEF文件輸出的速率提升。數(shù)據(jù)傳遞評估結(jié)果如表5 所示。

表5 數(shù)據(jù)傳遞評估結(jié)果

5.4 power mesh 和routing

對于power mesh 和重復(fù)性的routing 腳本，MSOA 使用有著一定的局限性，在前幾個評估的case 中可見，對于大尺寸、繞線要求低、但繞線多的情況下，MSOA 對design速率有很大提升，但如果設(shè)計定制化要求高，Virtuoso 和Innovus 所需要的時間會比較接近，MSOA flow 對于這種情況下只是向designer 多提供了一種選擇方式，具體如何使用由designer 決定，Power mesh 也是同理。power mesh 和routing 評估結(jié)果如表6 所示。

表6 power mesh 和routing 評估結(jié)果