IC设计与验证方法的改进

       IC行业进入大规模和超大规模集成电路时代已经接近50年，芯片的工业制程发展到目前的14、10nm，正在努力向7、5nm等更小的间距发展，单位面积的硅片上能容纳蚀刻的晶体管数量急剧增加。集成电路的设计、制造、封装的过程中，任何一个环节的差错带来的损失都难以估计。其中设计环节的缺陷最难发现，在后期造成的危害和损失也最大。因此对于芯片设计缺陷，要尽早发现，在物理图设计中进行全面的测设和验证，用最小的代价修正缺陷，提升IC设计可靠性[1-3]。
 
    1 IC设计与验证的现状
 
       IC的可靠性，又称为电路对抗电气故障的鲁棒性(robustness)，指电路某些参数受到干扰的状态下，维持正常性能的能力，直接表现为工作中电路偏离平衡状态后调整回原平衡状态的能力。随着制程工艺越来越小，对版图的形状设计会更加敏感，IC的可靠性风险更难以掌控。
 
       为了保证设计出的IC电路的可靠性，需要一套完整的验证方法，即规则验证。IC设计与验证是密不可分的2个环节，一款优秀的IC产品一定是经过了缜密的设计和完整的验证2个环节。通过规则验证完成对电路架构、电流密度计算、寄生电阻测量、版图位置等问题的静态和动态的检查，找出影响电路可靠性的问题。没有一种方法可以检测出所有的故障和潜在的不确定性问题，特别是进入14nm新制程时代以后，器件更小，导线更细，栅氧化层更薄，现有的故障排除机制面临巨大挑战，甚至如静电放电(ESD)、金属电迁移(EM)、天线效应(antenna effect)以及闩锁(latch-up)等常见故障都难以完全排除[4-6]。
 
    2 规则驱动衍生验证设计模式
 
       H. Chang等人[7]首次提出以规则衍生为核心的设计模式，即规则驱动设计模式，利用图形匹配算法实现元器件匹配，并在指定区域进行子电路的匹配。匹配完成后，规则驱动模式还可以对最终物理版图进行规则验证。

       规则驱动型设计模式流程清晰、周期短、风险小、成本低，目前已经成为IC设计的主要方式之一，特别是在较为简单的低层级的芯片设计中，如汽车、游戏、家电等领域的控制芯片。对于多层级和跨层级的芯片和芯片集群，该方案验证的效率较低，不足以成为量产产品的设计方案。因此本文对H.Chang等人[7]的方案进行了优化。
 
       2.1 规则驱动衍生验证设计模式

图1 规则驱动衍生验证设计流程

 
       借助于第三方验证平台CalibrePERC，提出规则驱动衍生验证设计流程(图1)。
 
       图1中的LVS是Calibre PERC的验证工具，用于进行版图和电路图的比较。衍生规则来源于电路图形库、版图网层表和电路图网层表，衍生规则需进行衍生验证。而常规规则验证的是衍生规则、设计规则和版图库。即衍生规则进行了二次验证，相比文献[7]，增加了衍生
规则及衍生验证。RVE是Calibre PERC的结果显示环境，违规规则最终输入RVE，能够在RVE中查看、分析和研究结果。
 
       2.2 规则衍生
 
       一般的设计流程是在IC设计框架中事先定义电路图、版图的设计规则，将其存入设计规则库。而衍生规则不能够事先定义，而是以版图网层表、电路图层表以及电路图形库三者为基础，经过融合、迭代和进化等一系列的衍生过程后，得到新的规则。这三者中，又以电路图形库为基础，识别和检测版图和电路图中的子电路，电路图形库在一定程度上代表了模块化的IC设计方案。衍生过程开始通过匹配算法将预先定义的设计规则分配给匹配的元器件，衍生结束后导出衍生规则文件[8-11]。
 
       2.3 两次规则验证
 
       规则验证指借助一套给定的约束来验证物理版图的合规性。本文的2次验证均通过Calibre PERC和它的逻辑驱动版图(LDL)功能实现，验证过程在CalibrePERC的IC设计环境中运行(图2)[12-15]。

图2 2次规则验证流程

 
       图2中的流程分为3个部分:
 
       1)输入部分。输入包括3部分：规则库、电路图网层表以及版图数据库。Calibre PERC平台中包括1个LVS规则集。
 
       2)验证过程。首先将电路图网层表和版图库依照规则进行匹配和交叉引用，这里的规则来源于两方面，一是LVS规则集，另一个是经过分析的自定义规则库。然后验证规则是否满足条件，常规规则和衍生规则2个方向分别进行。满足条件的需进行应用检查，视为违规规则，最后存入结果数据库;不满足条件的存入断言数据库[16-19]。
 
       3)输出部分。2个输出结果数据库分别是断言和违规规则。
 
       2.4试验结果
 
       试验选用游戏鼠标芯片进行性能分析。游戏鼠标是专门为了满足游戏的需求而设计的鼠标，除了保证更高的性能和舒适度以外，可以根据不同的游戏自定义附加功能，提升操作效率，而实现这一目标的核心就是专用游戏鼠标芯片[20-21]。目前，中国有多家企业可以实现自主设计和制造游戏鼠标芯片，产品覆盖高、中、低端市场。
 
       本文选择设计一款常用的中等档次游戏鼠标芯片，采用2种方法进行比较。一是日常设计方案，二是规则驱动衍生验证方案，基于0.4μm工艺制程流片，对流片后的2组芯片进行测试，结果见表1。

表1 2种流片的性能检测结果比较

       从表1中可以看到，在影响IC稳定性的常见问题所涉及的几个主要参数中，规则驱动衍生验证方案的各种性能都有所提高。基于成本的考虑，试验的2组流片是基于0.4μm的，如果进行工业化的纳米级流片，性能应该会有更高的提升。但是，从设计周期的角度看，本文的设计周期延长了20%~30%，牺牲了一定的时间成本，提高了IC的稳定性，这是有待提高的地方。
 
    3 结论
 
       IC产品不同于一般的工业产品，其性能和质量很大程度上取决于设计和验证环节，本文从IC设计和验证2个角度进行了改进。从流片试验的结果来看，进一步提升了IC的稳定性，为IC设计提供了一种新的研究方向。
 
       参考文献:
       [1]钱国良.中国IC设计企业的发展思路[J].电子产品世界，2016，23(05):16-17.
       [2]魏少军.迎接中国集成电路设计业的难得发展机遇[J].中国集成电路，2019，28(Z1):10-16+42.
       [3]邱善勤.我国IC设计业发展现状、问题及政策建议[J].中国集成电路，2010，19(04):12-16+28.
       [4]WANG T，HUANG Z，RUAN W，et al.Insights into sludge granulation during anaerobic treatment of high-strength leachate via a full-scale IC reactor with external circulation system[J].Journal of Environmental Sciences，2018，64(02):227-234.
       [5]VOLKER M，MARKUS T，GORAN J，et al.层次化IC设计约束的物理验证流程.[EB/OL].(2016-06-25)[2019-07-25].http://Cn.mentor.com
       [6]SHEN X，WU Y，SHEN T.Logical control scheme with real-time statistical learning for residual gas fraction in IC engines[J].ScienceChina，2018，61(01):45-57.
       [7]CHANG H，CHARBON E，CHOUDHURY U，et al.A top-down，constraint-driven design methodology for analog integrated circuits[M].Berlin:Springer，1996:152-180.
       [8]王强，林广栋.基于VPI技术的全芯片混合仿真[J].单片机与嵌入式系统应用，2018，18(02):6-8+11.
       [9]刘佳鑫.MP3解码电路的IC设计[D].北京:北京交通大学，2018.
       [10]陈越，刘彦隆，张刚.Tri-Designer:一种面向片内云架构的IC设计平台[J].火力与指挥控制，2017，42(12):165-169.
       [11]陈炳欣.IC设计企业数据安全保障有独特需求[N].中国电子报，2017-12-01(008).
       [12]王丽英.IC设计和封装的融合为EDA工具带来新挑战[J].今日电子，2017(09):17.
       [13]余俊兴.模拟IC设计的自动化综合流程初探[J].企业技术开发，2017，36(02):114-116.
       [14]谢靖.基于“互联网+EDA”技术的IC设计云平台的研究与应用[D].武汉:湖北大学，2016.
       [15]若文章.一款具有Flicker-Free功能的交流驱动LED-IC设计[D].成都:电子科技大学，2016.
       [16]吕强.用于中国自主标准RFID标签芯片设计的平台搭建与验证[D].西安:西安电子科技大学，2015.
       [17]李琨.基于OC8051芯片处理器的3-DIC布局布线设计[D].西安:西安电子科技大学，2015.
      [18]王磊浩.大线性度低功耗OTA及其滤波器研究与设计[D].西安:西安电子科技大学，2015.
       [19]熊高权.IC设计企业目标成本管理模式及应用探究[D].上海:上海交通大学，2015.
       [20]王龙兴.2018年上海集成电路产业发展的展望[J].集成电路应用，2018，35(03):5-9.
       [21]邓剑云.人工智能芯片:摸索前进，未来可期[J].电器，2018(07):27.