eng
Выпуск #9/2018
Ильин Сергей Алексеевич, Кочанов Сергей Константинович, Ласточкин Олег Викторович, Надин Алексей Семенович, Новиков Антон Алексеевич, Шипицин Дмитрий Святославович
Конструкторско-технологическая платформа проектирования СБИС на базе отечественной технологии КНИ 90 нм
Конструкторско-технологическая платформа проектирования СБИС на базе отечественной технологии КНИ 90 нм
Просмотры: 1799
В статье описывается конструкторско-технологическая платформа проектирования для технологии КНИ 90 нм, ее состав, включая комплект библиотек цифровых элементов и библиотеки интерфейсных элементов ввода-вывода; описан тестовый кристалл (ТК), изготовленный в рамках исследовательской работы; проанализированы результаты испытаний ТК и элементной базы.
УДК 621.3.049.77
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.365.368
УДК 621.3.049.77
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.365.368
Теги: ddk interface i/o library i/o libraries of standard cells pdk process design kit soi std библиотеки интерфейсных элементов ввода-вывода библиотеки цифровых элементов кни комплект средств проектирования конструкторско-технологическая платформа
Переход с традиционной КМОП технологии на технологию КНИ позволяет улучшить характеристики транзисторов на 20–30 %, что, соответственно, улучшает характеристики разрабатываемых в ее базисе проектов [1]. Технология КНИ субмикронного уровня открывает широкие перспективы по миграции готовых проектов на новую технологию для улучшения их характеристик и позволяет разрабатывать новые проекты с целью получения требуемых характеристик, которые не могли быть получены на технологиях предыдущего поколения [2].
К основным преимуществам технологии КНИ можно отнести:
• отсутствие тиристорного эффекта;
• упрощенный процесс изоляции компонентов и высокая плотность интеграции благодаря отсутствию изолирующих карманов;
• высокую радиационную стойкость;
• повышенную надежность при высоких температурах;
• короткоканальный эффект подавляется уменьшением толщины кремниевого слоя;
• наклон подпороговой характеристики практически идеальный.
Основные недостатки технологии КНИ:
• высокая стоимость производства;
• для уменьшения подпорогового тока требуется контакт к карману, что приводит к увеличению площади в сравнении с КМОП технологией;
• транзисторы имеют повышенный подпороговый ток, вследствие эффекта плавающей подложки.
Разработана конструкторско-технологическая платформа проектирования цифровых, цифро-аналоговых и аналоговых СБИС и СнК для отечественной КНИ технологии с минимальными проектными нормами 90 нм. Платформа обеспечивает высокую гибкость при проектировании СБИС и СнК за счет широкого набора входящих в ее состав компонентов.
Платформа (рис. 1) содержит:
• комплект средств проектирования аналоговых и цифро-аналоговых СБИС и СнК (PDK);
• комплект средств проектирования цифровых СБИС и СнК (DDK);
• компиляторы блоков памяти ОЗУ и ПЗУ различной конфигурации;
• Spectre модели;
• полный маршрут проектирования для аналоговых, цифро-аналоговых и цифровых СБИС и СнК;
• средства для обеспечения поддержки и корректной работы с САПР от ведущих EDA компаний (Cadence Design Systems, Mentor Graphics и т. д.) на всем маршруте проектирования СБИС и СнК.
Конструкторско-технологическая платформа проектирования разработана под технологическую линию отечественного полупроводникового производства ПАО «Микрон» с проектными нормами 90 нм, которая обеспечивает следующие основные характеристики:
• минимальные проектные нормы 90 нм;
• напряжение питания ядра 1,20 В (±10 %), периферии — 3,30 В (±10 %);
• 7 уровней Cu металлизации.
В состав комплекта средств проектирования аналоговых и цифро-аналоговых СБИС и СнК входят: технологическая библиотека, содержащая базовые элементы (конденсаторы, диоды, транзисторы и сопротивления); специализированные командные файлы верификации топологии на соответствие конструктивно-топологическим нормам (DRC); файлы проверки соответствия топологии и схемотехники проекта (LVS); технологические файлы для экстракции паразитных приборов; SPICE модели; LEF — файл; набор специализированных программ автоматизации процесса проектирования; правила проектирования топологии (DRM); конструкторско-технологические ограничения (DRC).
Конструкторско-технологическая платформа для КНИ 90 нм содержит комплект проектирования цифровых СБИС и СнК, включающий библиотеки цифровых элементов и интерфейсных элементов ввода-вывода. Библиотеки элементов разработаны в виде специализированных баз данных, которые позволяют использовать их в маршруте проектирования цифровых и цифро-аналоговых СБИС с применением современных САПР и содержат полный комплект необходимых представлений: описание ячеек в форматах Cadence OA / CDL / GDSII / LEF / LPE / Liberty / CeltIC, модели элементов в формате Verilog, а также техническую документацию [3].
Платформа обеспечивает поддержку современных версий САПР:
• Custom IC Design: IC 6.1.7;
• Design for Manufacturing: EXT 17.1, INCISIVE 15.2;
• Physical Verification Systems: PVS 15.2, Calibre 14;
• Digital IC Design: Genus 17.1, Innovus 16.2;
• Characterization: Liberate 16.
Состав библиотеки аналоговых элементов:
• МОП-транзисторы A/H1/H2-типа, для напряжения питания 1,2 В/3,3 В;
• МОП-транзисторы A/H1/H2-типа, для схем ввода-вывода;
• диоды DN/DP типа для напряжения питания 1,2 В/3,3 В;
• конденсаторы различного типа;
• резисторы различного типа;
• специализированные элементы для финализации проекта.
Состав библиотеки стандартных цифровых элементов:
• триггеры по фронту (d-type/scan d-type);
• триггеры по уровню;
• комбинационные элементы различного типа. Пример топологии логического элемента inv_2 на транзисторах h2 типа представлен на рис. 2;
• буферы тактового сигнала (gate-clock cell);
• элементы для построения clock-tree (clkinv, clkbuf);
• тристабильные элементы;
• специальные элементы: fillers, tiehi, tielo, bushold.
Состав библиотеки элементов ввода-вывода:
• PADIN:
• PADOUT:
• PADINOUT;
• ANALOGPAD;
• ячейки питания/земли ядра и периферии;
• специальные элементы: CORNER, fillers.
Для конструкторско-технологической платформы разработаны маршруты:
• верификации и тестирования топологии проекта на финальном этапе общего маршрута проектирования;
• входного контроля и подготовки проекта СБИС к массовому производству, изготовлению фотошаблонов и производству кристаллов непосредственно на технологической линии;
• автоматизированной генерации технологических представлений библиотек для САПР от ведущих мировых компаний;
• автоматизированной характеризации библиотек цифровых ячеек и ячеек ввода-вывода для проектирования в расширенных диапазонах температур, напряжений питания и различных вариантов условий функционирования изделий для гражданского и специального применений [4];
• автоматизированной верификации и тестирования технологических представлений библиотек средствами САПР и специализированного ПО, обеспечивающего совместимость версий САПР и проверку библиотеки в маршруте проектирования [5].
Разработка конструкторско-технологической платформы проектирования СБИС на базе отечественной полупроводниковой технологии КНИ 90 нм предоставит возможность:
• разрабатывать СФ-блоки, СБИС и СнК с большей степенью интеграции без увеличения площади кристалла;
• повысить быстродействие и понизить энергопотребление в проектах;
• применять отечественную элементную базу для проектирования сложных управляющих и вычислительных систем, в том числе двойного, специального, военного и аэрокосмического назначения;
• повысить устойчивость разработанных СБИС к воздействию специальных факторов за счет специальных конструктивно-топологических решений.
Для проведения сравнительного анализа и оценки основных параметров разработанной библиотеки стандартных цифровых элементов был выполнен структурный синтез блоков из тестовых наборов множеств ISCAS 85/89 в ее базисе. Результаты синтеза представлены, соответственно, в табл. 1 и 2.
Для анализа конструктивно-технологических и схемотехнических решений, проверки работоспособности функциональных узлов и блоков, определения параметров элементной базы, а также элементов STD и IO библиотек были разработаны, изготовлены и испытаны специализированные тестовые кристаллы, содержащие тестовые блоки памяти, блоки кольцевых генераторов, тестовые логические блоки и буферы ввода-вывода.
В табл. 3 представлены предварительные результаты испытаний на ТЗЧ тестовых кристаллов с блоками памяти, разработанными на различных типах ячеек памяти (bitcell).
На рис. 2 представлены графики распределения частот кольцевых генераторов, реализованных на разных логических элементах. Характеристики кольцевых генераторов получены на наборе микросхем с изготовленными тестовыми кристаллами.
Результаты, полученные после проведенных испытаний тестовых кристаллов, подтверждают работоспособность элементов STD/IO библиотек, более сложных логических блоков, а также bitcell, которые будут использоваться для разработки компиляторов памяти типа RAM/ROM.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вонг Б. П., Миттал А., Цао Ю., Старр Г. / под ред. Н. А. Шелепина, «Нано-КМОП-схемы и проектирование на физическом уровне». — Москва: Техносфера, 2014.
2. Красников Г. Я., Шелепин Н. А. «Состояние и перспективы развития технологий и элементной базы СБИС с энергонезависимой памятью», Международная научно-техническая конференция научной школы для молодежи. — М.: Зеленоград, 2010 г.
3. Ильин С. А. «Выбор базовых схемотехнических решений для проектирования библиотек цифровых ячеек», «Электроника. Известия высших учебных зведений», том 20, № 1, 2015 г. — С. 44–49.
4. Ильин С. А., Кочанов С. К., Ласточкин О. В., Новиков А. А. «Методика разработки заказных буферов ввода-вывода на основе библиотек специализированных цифровых элементов», в сборнике тезисов докладов «Микроэлектроника-2016» 2-й научной конференции «Интегральные схемы и микроэлектронные модули». — Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2016. — С. 317–321.
5. Ильин С. А., Кочанов С. К., Ласточкин О. В., Новиков А. А. «Методика проектирования и верификации библиотек стандартных цифровых элементов и элементов ввода-вывода», в сборнике тезисов докладов «Микроэлектроника-2016» 2-й научной конференции «Интегральные схемы и микроэлектронные модули». — Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2016. — С. 312–316.
К основным преимуществам технологии КНИ можно отнести:
• отсутствие тиристорного эффекта;
• упрощенный процесс изоляции компонентов и высокая плотность интеграции благодаря отсутствию изолирующих карманов;
• высокую радиационную стойкость;
• повышенную надежность при высоких температурах;
• короткоканальный эффект подавляется уменьшением толщины кремниевого слоя;
• наклон подпороговой характеристики практически идеальный.
Основные недостатки технологии КНИ:
• высокая стоимость производства;
• для уменьшения подпорогового тока требуется контакт к карману, что приводит к увеличению площади в сравнении с КМОП технологией;
• транзисторы имеют повышенный подпороговый ток, вследствие эффекта плавающей подложки.
Разработана конструкторско-технологическая платформа проектирования цифровых, цифро-аналоговых и аналоговых СБИС и СнК для отечественной КНИ технологии с минимальными проектными нормами 90 нм. Платформа обеспечивает высокую гибкость при проектировании СБИС и СнК за счет широкого набора входящих в ее состав компонентов.
Платформа (рис. 1) содержит:
• комплект средств проектирования аналоговых и цифро-аналоговых СБИС и СнК (PDK);
• комплект средств проектирования цифровых СБИС и СнК (DDK);
• компиляторы блоков памяти ОЗУ и ПЗУ различной конфигурации;
• Spectre модели;
• полный маршрут проектирования для аналоговых, цифро-аналоговых и цифровых СБИС и СнК;
• средства для обеспечения поддержки и корректной работы с САПР от ведущих EDA компаний (Cadence Design Systems, Mentor Graphics и т. д.) на всем маршруте проектирования СБИС и СнК.
Конструкторско-технологическая платформа проектирования разработана под технологическую линию отечественного полупроводникового производства ПАО «Микрон» с проектными нормами 90 нм, которая обеспечивает следующие основные характеристики:
• минимальные проектные нормы 90 нм;
• напряжение питания ядра 1,20 В (±10 %), периферии — 3,30 В (±10 %);
• 7 уровней Cu металлизации.
В состав комплекта средств проектирования аналоговых и цифро-аналоговых СБИС и СнК входят: технологическая библиотека, содержащая базовые элементы (конденсаторы, диоды, транзисторы и сопротивления); специализированные командные файлы верификации топологии на соответствие конструктивно-топологическим нормам (DRC); файлы проверки соответствия топологии и схемотехники проекта (LVS); технологические файлы для экстракции паразитных приборов; SPICE модели; LEF — файл; набор специализированных программ автоматизации процесса проектирования; правила проектирования топологии (DRM); конструкторско-технологические ограничения (DRC).
Конструкторско-технологическая платформа для КНИ 90 нм содержит комплект проектирования цифровых СБИС и СнК, включающий библиотеки цифровых элементов и интерфейсных элементов ввода-вывода. Библиотеки элементов разработаны в виде специализированных баз данных, которые позволяют использовать их в маршруте проектирования цифровых и цифро-аналоговых СБИС с применением современных САПР и содержат полный комплект необходимых представлений: описание ячеек в форматах Cadence OA / CDL / GDSII / LEF / LPE / Liberty / CeltIC, модели элементов в формате Verilog, а также техническую документацию [3].
Платформа обеспечивает поддержку современных версий САПР:
• Custom IC Design: IC 6.1.7;
• Design for Manufacturing: EXT 17.1, INCISIVE 15.2;
• Physical Verification Systems: PVS 15.2, Calibre 14;
• Digital IC Design: Genus 17.1, Innovus 16.2;
• Characterization: Liberate 16.
Состав библиотеки аналоговых элементов:
• МОП-транзисторы A/H1/H2-типа, для напряжения питания 1,2 В/3,3 В;
• МОП-транзисторы A/H1/H2-типа, для схем ввода-вывода;
• диоды DN/DP типа для напряжения питания 1,2 В/3,3 В;
• конденсаторы различного типа;
• резисторы различного типа;
• специализированные элементы для финализации проекта.
Состав библиотеки стандартных цифровых элементов:
• триггеры по фронту (d-type/scan d-type);
• триггеры по уровню;
• комбинационные элементы различного типа. Пример топологии логического элемента inv_2 на транзисторах h2 типа представлен на рис. 2;
• буферы тактового сигнала (gate-clock cell);
• элементы для построения clock-tree (clkinv, clkbuf);
• тристабильные элементы;
• специальные элементы: fillers, tiehi, tielo, bushold.
Состав библиотеки элементов ввода-вывода:
• PADIN:
• PADOUT:
• PADINOUT;
• ANALOGPAD;
• ячейки питания/земли ядра и периферии;
• специальные элементы: CORNER, fillers.
Для конструкторско-технологической платформы разработаны маршруты:
• верификации и тестирования топологии проекта на финальном этапе общего маршрута проектирования;
• входного контроля и подготовки проекта СБИС к массовому производству, изготовлению фотошаблонов и производству кристаллов непосредственно на технологической линии;
• автоматизированной генерации технологических представлений библиотек для САПР от ведущих мировых компаний;
• автоматизированной характеризации библиотек цифровых ячеек и ячеек ввода-вывода для проектирования в расширенных диапазонах температур, напряжений питания и различных вариантов условий функционирования изделий для гражданского и специального применений [4];
• автоматизированной верификации и тестирования технологических представлений библиотек средствами САПР и специализированного ПО, обеспечивающего совместимость версий САПР и проверку библиотеки в маршруте проектирования [5].
Разработка конструкторско-технологической платформы проектирования СБИС на базе отечественной полупроводниковой технологии КНИ 90 нм предоставит возможность:
• разрабатывать СФ-блоки, СБИС и СнК с большей степенью интеграции без увеличения площади кристалла;
• повысить быстродействие и понизить энергопотребление в проектах;
• применять отечественную элементную базу для проектирования сложных управляющих и вычислительных систем, в том числе двойного, специального, военного и аэрокосмического назначения;
• повысить устойчивость разработанных СБИС к воздействию специальных факторов за счет специальных конструктивно-топологических решений.
Для проведения сравнительного анализа и оценки основных параметров разработанной библиотеки стандартных цифровых элементов был выполнен структурный синтез блоков из тестовых наборов множеств ISCAS 85/89 в ее базисе. Результаты синтеза представлены, соответственно, в табл. 1 и 2.
Для анализа конструктивно-технологических и схемотехнических решений, проверки работоспособности функциональных узлов и блоков, определения параметров элементной базы, а также элементов STD и IO библиотек были разработаны, изготовлены и испытаны специализированные тестовые кристаллы, содержащие тестовые блоки памяти, блоки кольцевых генераторов, тестовые логические блоки и буферы ввода-вывода.
В табл. 3 представлены предварительные результаты испытаний на ТЗЧ тестовых кристаллов с блоками памяти, разработанными на различных типах ячеек памяти (bitcell).
На рис. 2 представлены графики распределения частот кольцевых генераторов, реализованных на разных логических элементах. Характеристики кольцевых генераторов получены на наборе микросхем с изготовленными тестовыми кристаллами.
Результаты, полученные после проведенных испытаний тестовых кристаллов, подтверждают работоспособность элементов STD/IO библиотек, более сложных логических блоков, а также bitcell, которые будут использоваться для разработки компиляторов памяти типа RAM/ROM.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вонг Б. П., Миттал А., Цао Ю., Старр Г. / под ред. Н. А. Шелепина, «Нано-КМОП-схемы и проектирование на физическом уровне». — Москва: Техносфера, 2014.
2. Красников Г. Я., Шелепин Н. А. «Состояние и перспективы развития технологий и элементной базы СБИС с энергонезависимой памятью», Международная научно-техническая конференция научной школы для молодежи. — М.: Зеленоград, 2010 г.
3. Ильин С. А. «Выбор базовых схемотехнических решений для проектирования библиотек цифровых ячеек», «Электроника. Известия высших учебных зведений», том 20, № 1, 2015 г. — С. 44–49.
4. Ильин С. А., Кочанов С. К., Ласточкин О. В., Новиков А. А. «Методика разработки заказных буферов ввода-вывода на основе библиотек специализированных цифровых элементов», в сборнике тезисов докладов «Микроэлектроника-2016» 2-й научной конференции «Интегральные схемы и микроэлектронные модули». — Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2016. — С. 317–321.
5. Ильин С. А., Кочанов С. К., Ласточкин О. В., Новиков А. А. «Методика проектирования и верификации библиотек стандартных цифровых элементов и элементов ввода-вывода», в сборнике тезисов докладов «Микроэлектроника-2016» 2-й научной конференции «Интегральные схемы и микроэлектронные модули». — Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2016. — С. 312–316.
Отзывы читателей
