【導(dǎo)讀】伴隨著5G通信技術(shù)的到來(lái)與越來(lái)越成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用,人們對(duì)5G/IoT相關(guān)的集成電路芯片設(shè)計(jì)投來(lái)更加熱切的目光。針對(duì)5G/IoT技術(shù)的迫切需求，本文介紹集成電路產(chǎn)業(yè)中版圖設(shè)計(jì)技術(shù)的簡(jiǎn)要過(guò)程，從而講述標(biāo)準(zhǔn)版圖設(shè)計(jì)、半定制設(shè)計(jì)與全定制版圖設(shè)計(jì)的應(yīng)用，并以5G/IoT場(chǎng)合的高性能和高速數(shù)據(jù)率相關(guān)的IP進(jìn)行簡(jiǎn)短的討論，版圖設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)最終系統(tǒng)的影響等。
同時(shí)，云端大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)處理（real-time analytical processing）推動(dòng)著高性能計(jì)算機(jī)芯片的研發(fā)；終端的存儲(chǔ)一體化運(yùn)算（in-memory computing，IMC）對(duì)新一代存儲(chǔ)器單元設(shè)計(jì)有了更新的要求。無(wú)論是云端或是終端的芯片設(shè)計(jì)，當(dāng)前與未來(lái)都要具有人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)功能，云端芯片更多地解決并提升深度學(xué)習(xí)中的“訓(xùn)練”(training)能力, 終端芯片則更多地解決并提升深度學(xué)習(xí)中的“推理”(inference)能力。
5G/IoT的專用集成電路的市場(chǎng)需求，云端終端的智能芯片發(fā)展要求，從架構(gòu)到系統(tǒng)，包括電路設(shè)計(jì)與物理設(shè)計(jì)與版圖設(shè)計(jì)項(xiàng)目，已經(jīng)擺在了芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的面前。這些設(shè)計(jì)包括了集成電路的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、半定制設(shè)計(jì)和全定制設(shè)計(jì)。芯片制造商通常僅提供通用型單元庫(kù)（generic library）因而IoT需要更多半定制、5G需要全定制的版圖設(shè)計(jì)。
針對(duì)5G/IoT技術(shù)的迫切需求，本文介紹集成電路產(chǎn)業(yè)中版圖設(shè)計(jì)技術(shù)的簡(jiǎn)要過(guò)程，從而講述標(biāo)準(zhǔn)版圖設(shè)計(jì)、半定制設(shè)計(jì)與全定制版圖設(shè)計(jì)的應(yīng)用，并以5G/IoT場(chǎng)合的高性能和高速數(shù)據(jù)率相關(guān)的IP進(jìn)行簡(jiǎn)短的討論，版圖設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)最終系統(tǒng)的影響等。文末強(qiáng)調(diào)版圖設(shè)計(jì)與系統(tǒng)芯片、MCU芯片與模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)以及與射頻芯片設(shè)計(jì)的緊密相關(guān)和依賴性，重點(diǎn)說(shuō)明版圖設(shè)計(jì)在集成電路產(chǎn)業(yè)中的重要角色。
1． 集成電路的版圖設(shè)計(jì)方法
集成電路設(shè)計(jì)方法涉及面廣，內(nèi)容復(fù)雜，其中版圖設(shè)計(jì)是集成電路物理實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)技術(shù)。版圖設(shè)計(jì)的質(zhì)量好壞直接會(huì)影響到集成電路的功耗、性能和面積。在系統(tǒng)芯片（system-on-chip, SoC）設(shè)計(jì)中，集成了接口單元(input/output,I/O),標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元(standard cell)，模擬與混合信號(hào)(analog mixed-signal, AMS)模塊，存儲(chǔ)器(memory,例如ROM,RAM)和多種IP模塊。所有這些模塊的物理實(shí)現(xiàn),全都離不開(kāi)基本的版圖設(shè)計(jì)。
工程實(shí)踐中，從定義系統(tǒng)芯片參數(shù)（specifications）完成后，人們常常將最常見(jiàn)的數(shù)字集成電路中標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元的版圖設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)化為電路設(shè)計(jì)（circuit design）、版圖設(shè)計(jì)（layout design）和特征化（characterization）等三個(gè)步驟，見(jiàn)圖1簡(jiǎn)化的版圖設(shè)計(jì)流程圖。在實(shí)踐中，版圖設(shè)計(jì)類型又分為: 1)標(biāo)準(zhǔn)版圖設(shè)計(jì)，2)半定制版圖設(shè)計(jì)，和3)全定制版圖設(shè)計(jì)。
圖1 集成電路版圖設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化流程圖
2．集成電路中的標(biāo)準(zhǔn)版圖設(shè)計(jì)
標(biāo)準(zhǔn)版圖設(shè)計(jì)通常用于數(shù)字集成電路的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)、輸入輸出單元庫(kù)等。存儲(chǔ)器的版圖設(shè)計(jì)屬于半定制版圖設(shè)計(jì)，它的存儲(chǔ)單元（例如RAM cell）的版圖采用標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)的設(shè)計(jì)方法,其余部分則為不規(guī)則的版圖設(shè)計(jì)。模擬與混合信號(hào)（analog mixed-signal, AMS）的版圖設(shè)計(jì)以及射頻電路的版圖設(shè)計(jì)則屬于全定制的版圖設(shè)計(jì)。
標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)中包括兩大類單元：(1)組合邏輯（combinational）單元,例如反向器與非門、選擇器等。（2）時(shí)序邏輯（sequential）單元，例如寄存器、鎖存器、存儲(chǔ)器等。
對(duì)于數(shù)字電路中的標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)，是從布爾邏輯(Boolean logic)描述并定義單元的邏輯關(guān)系開(kāi)始，接著是電路設(shè)計(jì)(schematic capture或circuit design)與電路仿真(circuit simulation)，而后開(kāi)始版圖設(shè)計(jì)。版圖設(shè)計(jì)需要符合制造工藝規(guī)則檢查（design rule check，DRC）和版圖電路一致性檢查（layout versus schematic，LVS）通過(guò)才算完成，這時(shí)，版圖設(shè)計(jì)的結(jié)果用“圖形顯示系統(tǒng)第二版”（graphic display system II，GDSII）文件記載，并作為芯片制造中制作掩模板（mask）的依據(jù)。數(shù)字電路的標(biāo)準(zhǔn)單元和I/O單元完成版圖設(shè)計(jì)后，還要做寄生參數(shù)(電阻R電容C)提?。╬arasitic extraction，RCX）,供電路設(shè)計(jì)者作進(jìn)一步擬合優(yōu)化處理，這種反標(biāo)方法(back-annotation)也是芯片級(jí)設(shè)計(jì)的重要步驟之一。圖2給出了比較完整的版圖設(shè)計(jì)全流程圖。
圖2 集成電路版圖設(shè)計(jì)的全流程圖
從標(biāo)準(zhǔn)單元和I/O單元的版圖設(shè)計(jì)結(jié)果，需要產(chǎn)生物理信息和時(shí)序信息供芯片物理設(shè)計(jì)布局布線（place & route，P&R）使用。物理信息以單元庫(kù)交換格式（library exchange format，LEF）文件表達(dá)，它是在相應(yīng)的GDSII文件的基礎(chǔ)上，“忽略”底層信息，僅僅保留并提取金屬1層（metal 1，M1）以及更上層的多邊形（polygon）數(shù)據(jù)作為P&R使用，這樣就會(huì)極大地加快P&R的運(yùn)行速度，縮短時(shí)序收斂時(shí)間。例如，對(duì)于存儲(chǔ)器版圖的LEF文件，會(huì)使用到M1，M2甚至M3的信息。
圖3 集成電路標(biāo)準(zhǔn)版圖設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)單元具有同等高度與不同寬度
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)單元的版圖，根據(jù)工藝要求，標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元的高度是固定的，寬度為最小單元寬度的公約數(shù)倍數(shù)，例如在圖3中，左圖為反向器（inverter，INV）的版圖，中圖為選擇器（multiplexer，MUX）的版圖，右圖為D型寄存器的(D-Flip Flop, DFF)的版圖。如上所述，從版圖設(shè)計(jì)中，可以導(dǎo)出并建立GDSII和LEF文件。GDSII文件經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)簽核（design sign-off）過(guò)程由代工廠使用于芯片制造，LEF文件用于全芯片的P&R物理設(shè)計(jì)。
標(biāo)準(zhǔn)單元的時(shí)序信息過(guò)去曾經(jīng)以時(shí)序庫(kù)單元格式（timing library format，TLF）文件表達(dá)，目前以自由時(shí)序庫(kù)單元格式（liberty，“.lib”）文件表達(dá)。產(chǎn)生時(shí)序庫(kù)文件需要根據(jù)制造工藝調(diào)用SPICE模型，比如最常用的BISM4模型；根據(jù)制造工藝參數(shù)，進(jìn)行庫(kù)單元時(shí)序仿真，例如Hspice和Spectre仿真器。
從相應(yīng)的GDSII文件中，根據(jù)半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)參數(shù)，提取單元電路的輸入輸出負(fù)載（CL），提取其靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗數(shù)據(jù)，建立一套數(shù)據(jù)庫(kù)，在做功耗分析和低功耗設(shè)計(jì)時(shí)使用。CMOS的總功耗 Ptotal= Pstatic + Pdynamic，靜態(tài)功耗Pstatic與工藝參數(shù)相關(guān)，而動(dòng)態(tài)功耗Pdynamic與CL相關(guān)。因此，在做各種版圖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量減小輸入輸出端的電容，從而提高庫(kù)單元速度即芯片的性能。
另一方面，對(duì)于180nm或者更加先進(jìn)的工藝，信號(hào)完整性（signal integrity, SI）分析成為必不可少的步驟。人們知道，在CMOS電路的翻轉(zhuǎn)過(guò)程除了受信號(hào)上升或下降時(shí)間(transition time,也稱作slew rate)快慢有關(guān)之外,與其柵極的閾值(threshold voltage)極其相關(guān)。當(dāng)輸出輸入電壓的斜率達(dá)到1時(shí)，即|tan(Vout/Vin)|=1（該點(diǎn)稱作統(tǒng)一增益點(diǎn)，Unity Gain Point，UGP)，若有臨近的并行信號(hào)線通過(guò)電容耦合（coupling capacitance）產(chǎn)生“噪聲（noise）”信號(hào)與“受害者”的時(shí)鐘或者數(shù)據(jù)信號(hào)迭加，就會(huì)破壞正常數(shù)據(jù)信號(hào)的傳遞甚或使得設(shè)計(jì)失效。
如此可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)單元的版圖設(shè)計(jì)結(jié)果是產(chǎn)生時(shí)序單元格式文件的來(lái)源。由于單元延時(shí)與信號(hào)輸入端的翻轉(zhuǎn)時(shí)間tslew（transition time）以及負(fù)載（CL）相關(guān)，因此，時(shí)序單元格式文件中的延時(shí)函數(shù)為f(tslew，CL),用三維表格表示，兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的中間值使用多項(xiàng)式（polynomial）簡(jiǎn)化插值方法產(chǎn)生，供計(jì)算時(shí)序時(shí)使用。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)單元的功耗信息和信號(hào)完整性信息函數(shù)同樣與(tslew，CL)相關(guān),也用三維表格表示。時(shí)序單元文件的時(shí)序、功耗和SI等豐富信息，將用于全芯片物理設(shè)計(jì)過(guò)程中的靜態(tài)時(shí)序分析（static timing analysis，STA）、功耗分析和信號(hào)完整性分析。芯片代工廠(foundry)通常只提供通用型GP (general purpose) 單元庫(kù),例如TSMC從40nm及以下工藝才開(kāi)始提供低功耗(LP)單元庫(kù)和超低功耗(ULP)單元庫(kù)。若采用65nm及以上的工藝,用戶應(yīng)當(dāng)自行設(shè)計(jì),并且產(chǎn)生完整的單元庫(kù)文件GDSII, LEF 和 “.lib” 等。
在版圖設(shè)計(jì)中人們可以使用工藝設(shè)計(jì)包(process design kit, PDK),或者稱作 “工藝設(shè)計(jì)錦囊”，這當(dāng)然給版圖設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。但是，在很多工程設(shè)計(jì)中,人們還是離不開(kāi)很多基礎(chǔ)設(shè)計(jì)步驟。例如，參數(shù)化的標(biāo)準(zhǔn)單元（parameterized cell，Pcell）可以幫助工程人員直接定義CMOS晶體管的大小并且直接調(diào)用，在28nm或者更先進(jìn)工藝條件下，還需要考慮制造誤差比如光學(xué)臨近誤差（optical proximity correction, OPC）等帶來(lái)的影響，對(duì)版圖設(shè)計(jì)進(jìn)行校正。
3．集成電路中的半定制版圖設(shè)計(jì)
在半定制版圖設(shè)計(jì)中，例如具有6個(gè)晶體管的SRAM或者僅有1個(gè)晶體管1個(gè)電容的DRAM，它們的標(biāo)準(zhǔn)小單元（RAM cell）高度和寬度尺寸設(shè)置與上一節(jié)所說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元無(wú)關(guān)，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖4。這一類設(shè)計(jì)既要兼顧標(biāo)準(zhǔn)版圖設(shè)計(jì)的通用性,又要考慮到重復(fù)使用單元在當(dāng)前模塊設(shè)計(jì)中使用的靈活性。早期英特爾公司的CPU芯片的設(shè)計(jì)就采用了很多半定制的版圖設(shè)計(jì)，這種版圖設(shè)計(jì)技巧也會(huì)用于高性能計(jì)算機(jī)芯片的CPU設(shè)計(jì)之中。比如CPU中的數(shù)據(jù)通道(datapath)部分如果使用標(biāo)準(zhǔn)單元，則往往成為實(shí)現(xiàn)高性能的瓶頸，而采用半定制的專門設(shè)計(jì)，才會(huì)更好地提高整個(gè)芯片的性能。
圖4 半定制版圖設(shè)計(jì)中重復(fù)使用的RAM單元具有不同高度與不同寬度
(從左往右: 6T-SRAM單元電路及其版圖, 1T1C-DRAM單元電路及其版圖)
還有一類特殊的半定制版圖稱為客戶自有技術(shù)（Custom-Owned Tooling，COT）模塊，在專用集成電路（application specific integrated circuit，ASIC）中經(jīng)常采用。閃存存取器（flash memory）的基本單元（NAND和NOR單元）與上述SRAM和DRAM的基本單元類似，也是采用半定制版圖設(shè)計(jì)。眾所周知,NAND閃存已經(jīng)廣泛用于新型的固態(tài)存儲(chǔ)器(solid state drive, SSD)中。目前,數(shù)字電路基本單元常常工作在幾百兆赫茲(MHz)的頻率。DRAM新一代產(chǎn)品，即先進(jìn)的雙數(shù)據(jù)率同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(double data rate synchronous dynamic RAM, DDR SDRAM)系列(最新版本為DDR4)和LPDDR系列(最新版本LPDDR5)數(shù)據(jù)率達(dá)到了6.4Gbps)，可以廣泛用于5G通信和汽車電子的芯片設(shè)計(jì)中。
上面討論到，Pcell可以幫助工程人員直接定義CMOS晶體管的大小，可以直接調(diào)用或者方便地更換從而對(duì)設(shè)計(jì)不斷進(jìn)行優(yōu)化。在28nm或者更先進(jìn)工藝條件下，尤其是模擬電路對(duì)工藝參數(shù)根據(jù)敏感并直接影響到性能。這些問(wèn)題可以通過(guò)約束控制設(shè)計(jì)(constraint-driven design, CDD)方法加以克服。比如,在進(jìn)行差分對(duì)晶體管設(shè)計(jì)時(shí)，工程人員可以調(diào)用約束文件，對(duì)差分對(duì)電路進(jìn)行控制配對(duì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的性能。
與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序單元相比,存儲(chǔ)器的時(shí)序關(guān)系比較復(fù)雜。通常前者主要關(guān)注“時(shí)鐘(CLK_)”與“數(shù)據(jù)(DATA_)”信號(hào)之間的建立(setup)時(shí)間和(hold)時(shí)間; 后者還要額外處理“地址(ADD_)”、“控制(CONTR_)”、“讀(RE_)” 、“寫(WR_)” 、“使能(EN_)”等信號(hào)關(guān)系。
熟練地掌握了標(biāo)準(zhǔn)單元版圖設(shè)計(jì)之后，對(duì)于半定制版圖設(shè)計(jì)方能駕輕就熟，舉一反三，并借助CDD方法，很好地處理設(shè)計(jì)規(guī)則并符合工藝制造的要求。一般說(shuō)來(lái)，數(shù)字電路的標(biāo)準(zhǔn)單元或者其他電路設(shè)計(jì)由前端（front-end）工程師完成；版圖設(shè)計(jì)則由后端（back-end）工程師完成。在模擬和混合信號(hào)模塊或者芯片設(shè)計(jì)中，電路設(shè)計(jì)與版圖設(shè)計(jì)溶為一體，才能達(dá)到更好的性能要求。
4．集成電路中的全定制版圖設(shè)計(jì)
在模擬和混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)中,更多地采用了全定制版圖設(shè)計(jì)方法；尤其是射頻電路的芯片設(shè)計(jì)，基本上必須通過(guò)全定制版圖設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣才能有效地達(dá)到電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)，比如，信號(hào)耦合與匹配，有源區(qū)器件和無(wú)源區(qū)器件的實(shí)現(xiàn)，高頻參數(shù)電感和自感參數(shù)的控制和優(yōu)化等。
模擬和混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)包括常見(jiàn)的模擬前端控制器（analog front-end, AFE）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-digital converter, ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital-analog converter, DAC)、運(yùn)算放大器(op-amp)和比較器(comparator)等。
5G通信采用的頻段規(guī)范稱作“5G新空口”(5G New Radio，5G NR),使用6 GHz以下頻率以及毫米波波段,見(jiàn)圖5。數(shù)據(jù)率為10~20Gbps
圖5 5G NR頻率和5G NR毫米波頻率范圍
射頻無(wú)線通信技術(shù)包括蜂鳥(niǎo)(ZigBee，IEEE 802.15.4)，無(wú)線(WiFi,2.4GHz/5GHz,IEEE 802.11)，藍(lán)牙(最新版本Bluetooth 5.0, 2.4~2.483.5GHz)和藍(lán)牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE, SIG/IEEE 802.15.1）和全球互通微波訪問(wèn)(WiMax, 3.5~5.8GHz, IEEE 802.16d; 2.3,2.5,3.5GHz,IEEE 802.16e)等5種標(biāo)準(zhǔn)。與這些通信技術(shù)相關(guān)的射頻芯片設(shè)計(jì)包括IoT常用的接口，例如串并聯(lián)接口（Serial Parallel Interface，SPI）模塊，射頻功率放大器（RF PA），低噪聲放大器（low noise amplifier，LNA），壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator, VCO），混頻器（frequency mixer），濾波器（filter）等。
射頻無(wú)線模塊或者獨(dú)立的射頻芯片,從電路設(shè)計(jì)到版圖設(shè)計(jì),完全屬于全定制設(shè)計(jì)方式。設(shè)計(jì)人員在標(biāo)準(zhǔn)版圖設(shè)計(jì)和半定制版圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,不斷開(kāi)發(fā)出專用的芯片射頻產(chǎn)品。圖6為某射頻公司自行設(shè)計(jì)的5GHz通信產(chǎn)品全定制版圖案例,即版圖為全手工設(shè)計(jì),芯片制造采用180nm射頻工藝,其數(shù)據(jù)率達(dá)到5Gbps。
圖6 某射頻公司5Gbps通信產(chǎn)品全定制(手工)版圖設(shè)計(jì)案例
藍(lán)牙芯片產(chǎn)品開(kāi)發(fā)相對(duì)比較困難，射頻的性能與功耗是衡量藍(lán)牙芯片的重要指標(biāo)，包括數(shù)據(jù)傳輸速率、信號(hào)延時(shí)與穩(wěn)定性等都是芯片開(kāi)發(fā)與研究的挑戰(zhàn)。包括采用40nm的CMOS藍(lán)牙芯片的亞閾值建模與電路仿真，版圖后仿真與優(yōu)化等。目前，不少射頻應(yīng)用芯片已經(jīng)向40nm以下的先進(jìn)工藝開(kāi)發(fā),這時(shí),設(shè)計(jì)人員需要器件建模（例如BSIM6仿真模型）和全定制版圖設(shè)計(jì)雙管齊下。
熟練地掌握了標(biāo)準(zhǔn)單元版圖設(shè)計(jì)和半定制版圖設(shè)計(jì)之后，對(duì)于全定制版圖設(shè)計(jì)方能駕輕就熟，運(yùn)用自如，以CDD方法加以輔助，則更好地處理模擬混合信號(hào)和射頻設(shè)計(jì)規(guī)則的特殊要求，例如電感和互感對(duì)版圖的影響，及其工藝制造后的實(shí)測(cè)結(jié)果。
5．高性能與高速芯片設(shè)計(jì)與版圖設(shè)計(jì)
物聯(lián)網(wǎng)和5G聯(lián)網(wǎng)通信中除了信號(hào)收發(fā)單元(transceiver, TRX 以及TX/RX)設(shè)計(jì)芯片之外,離不開(kāi)專用的系統(tǒng)芯片SoC,其中高性能與高速核心IP往往決定了SoC的性能和速度。常見(jiàn)的高性能與高速核心IP有: PCIe, 10 Gigabit Ethernet (10 GbE), RapidIO, SerDes, USB等。表1列出了幾種物聯(lián)網(wǎng)和5G時(shí)代常用的高性能與高速IP的信號(hào)速度和數(shù)據(jù)率。
第1代PCIe總線技術(shù)最早于2003年提出,它源自英特爾公司的第3代輸入輸出3GIO技術(shù)。2017年P(guān)CIe第4代提出,2019年將開(kāi)發(fā)PCIe第5代。英偉達(dá)公司注重機(jī)器學(xué)習(xí)中數(shù)據(jù)處理GPU芯片的開(kāi)發(fā),目前采用PCIe第2代產(chǎn)品,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了16Gbps數(shù)據(jù)率。
高速IP接口吉比特以太網(wǎng)10GbE (IEEE 820.3ae-2002)采用全工協(xié)議(full-duplex protocol),用來(lái)處理以太網(wǎng)的高數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù),廣泛用于需要高帶寬的企業(yè)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等, 表1列出了10GbE (連接MAC層和PHY層的)的兩種接口參數(shù),即4通道XAUI模式和單通道XFI/KR模式。
RapidIO用來(lái)作為與處理器之間的信號(hào)互聯(lián),大量用在數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算機(jī)嵌入式芯片設(shè)計(jì)中,也用于異構(gòu)系統(tǒng)(heterogeneous system architecture, HSA)芯片中,包括人工智能芯片采用的CPU,DSP,GPU等設(shè)計(jì)。
表1 物聯(lián)網(wǎng)和5G常用IP模塊的信號(hào)速度和數(shù)據(jù)率比較
由上表可見(jiàn),使用高速IP時(shí)離不開(kāi)相關(guān)IP設(shè)計(jì)的控制器(Controller)模塊和物理層(PHY)模塊的設(shè)計(jì),它們必須滿足3~10GHz信號(hào)頻率要求,相應(yīng)的數(shù)據(jù)率10~40Gbps對(duì)于芯片的版圖設(shè)計(jì)充滿了技術(shù)挑戰(zhàn)。
6．當(dāng)代及未來(lái)5G/IoT應(yīng)用對(duì)版圖設(shè)計(jì)技術(shù)影響
針對(duì)高端數(shù)字芯片的性能要求,設(shè)計(jì)公司為了滿足需求,會(huì)專門投入研發(fā)人員,重新對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)進(jìn)行電路優(yōu)化和版圖設(shè)計(jì),如第2小節(jié)中“標(biāo)準(zhǔn)版圖設(shè)計(jì)”所說(shuō),還要重新產(chǎn)生一套單元庫(kù)文件,包括GDSII, LEF和 “.lib”等。對(duì)于半定制設(shè)計(jì)版圖,比如COT模塊等,除了注意邊界處的走線,也要產(chǎn)生“灰盒子”時(shí)序文件。IoT相關(guān)芯片以MCU為主的SoC, 其中若干種IP模塊和無(wú)線模塊包括NB-IoT, LoRa, 藍(lán)牙等, 給半定制和全定制版圖設(shè)計(jì)帶來(lái)新的生命。5G時(shí)代的應(yīng)用場(chǎng)景有三種不同的無(wú)線接入模式，包括以消費(fèi)類為主的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(enhanced Mobile Broadband, eMBB)技術(shù)，以智慧機(jī)器人和無(wú)人駕駛等為主的超高可靠超低時(shí)延通信(Ultra-reliable low latency communication, URLLC)和大規(guī)模機(jī)器通信(massive Machine‐Type Communication, mMTC)。這些多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)對(duì)射頻電路芯片電路與版圖設(shè)計(jì)帶來(lái)新的技術(shù)挑戰(zhàn)和產(chǎn)品需求。
因此, 在5G 和IoT時(shí)代, 無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)單元版圖設(shè)計(jì),半定制版圖設(shè)計(jì)和全定制版圖設(shè)計(jì),基本的設(shè)計(jì)方法得到發(fā)揚(yáng)傳承,高性能、低功耗、低成本的要求提得更高,對(duì)未來(lái)高質(zhì)量高可靠性版圖設(shè)計(jì)設(shè)立了新的規(guī)范和起點(diǎn)。例如，用于深度學(xué)習(xí)的芯片設(shè)計(jì)，由于涉及到海量數(shù)據(jù)計(jì)算，已經(jīng)使用算力單位千兆(1012, tera operations per second, TOPS）為參考,使用能效比（TOPS/W）作為衡量芯片架構(gòu)和設(shè)計(jì)的總體檢測(cè)指標(biāo)。最新的2019年國(guó)際固體電路會(huì)議(International Solid-State Circuits Conference, ISSCC)分組文章都做了詳盡的討論。
參考文獻(xiàn)
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[3] 陳春章,王國(guó)雄,艾霞,《數(shù)字集成電路物理設(shè)計(jì)》,2008年,北京:科學(xué)出版社(ISBN 978-7-03-022031-8)。
[4] ISSCC 2019,https://submissions.mirasmart.com/ISSCC2019/PDF/ISSCC2019AdvanceProgram.pdf
