CAD-Entwurfskontrolle in der Mikroelektronik: Mit einer Einführung in den Entwurf kundenspezifischer Schaltkreise PDF
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Leitfäden der angewandten Informatik Bauknecht I Zehnder: Grundzüge der Datenverarbeitung Methoden und Konzepte für die Anwendungen 2. Aufl. 344 Seitep. Kart. DM 28.80 Beth I Heß I Wirl: Kryptographie 205 Seiten. Kart. DM 24.80 Craemer: Mathematisches Modellieren dynamischer Vorgänge 2BB Seiten. Kart. DM 36.- Frevert: Echtzelt-Praxis mit PEARL 216 Seiten. Kart. DM 28.- GornylViereck: Interaktive grafische Datenverarbeitung 256 Seiten. Geb. DM 52.- Hofmann: Betriebssysteme: Grundkonzepte und Modellvorstellungen 253 Seiten. Kart. DM 34.- Hu Itzsch: Prozeßdatenverarbeitung 216 Seiten. Kart. DM 22.80 Kästner: Architektur und Organisation digitaler Rechenanlagen 224 Seiten. Kart. DM 23.BO Mresse: Information Retrieval - Eine Ein,führung 2BO Seiten. Kart. DM 36.- Müller: Entscheidungsunterstützende Endbenutzersysteme 253 Seiten. Kart. DM 26.80 Mußtopf I Winter: Mikroprozessor-Systeme Trends in Hardware und Software 302 Seiten. Kart. DM 29.80 Nebel: CAD-Entwurfskonlrolle in der Mikroelektronik 211 Seiten. Kart. DM 32.- Relti et al.: Artilieial Intelligenee - Eine Einführung X. 214 Seiten. Kart. DM 32.- Schicker: Datenübertragung und Rechnernetze 222 Seiten. Kart. DM 28.80 Schmidt et al.: Digitalschaltungen mit Mikroprozessoren 2. Aufl. 208 Seiten. Kart. DM 23.80 Schmidt et al.: Mikroprogrammierbare Schnittstellen 223 Seiten. Kart. DM 32.- Schneider: Problemorientierte Programmiersprachen 226 Seiten. Kart. DM 23.80 Schreiner: Systemprogrammierung In UNIX Tei'l 1: Werkzeuge. 315 Seiten. Kart. DM 48. Singer: Programmieren In der Praxis 2. Aufl. 176 Seiten. Kart. DM 26.- Specht: APL-Praxls 192 Seiten. Kart. DM 22.80 Vetter: Aufbau betrieblicher Informatlonssysleme millels konzeptioneller Datenmodellierung 2. Auf!. 317 Seiten. Kart. DM 34.- Weck: DatensicherheIt 326 Seiten. Geb. DM 42.- Wingert: Medizinische Informatik 272 Seiten. Kart. DM 23.80 Wißki chen et al.: Information$tec:hnik und BUrosysteme 255 Seiten. Kar!. DM 26.80 Zehneer: InformatIonssysteme und Datenbanken 255 Seiten. Kart. DM 32.- Preisänderungen vorbehalten B. G. Teubner Stuttgart Leitfäden der angewandten Informatik W. Nebel CAD-Entwurfskontrolle in der Mikroelektronik Leitfäden der angewandten Informatik Herausgegeben von Prof. Dr. L. Richter, Zürich Prof. Dr. W. Stucky, Karlsruhe Die Bände dieser Reihe sind allen Methoden und Ergebnissen der Infor matik gewidmet, die für die praktische Anwendung von Bedeutung sind. Besonderer Wert wird dabei auf die Darstellung dieser Methoden und Er gebnisse in einer allgemein verständlichen, dennoch exakten und präzisen Form gelegt. Die Reihe soll einerseits dem Fachmann eines anderen Ge bietes, der sich mit Problemen der Datenverarbeitung beschäftigen muß, selbst aber keine Fachinformatik-Ausbildung besitzt, das für seine Praxis relevante Informatikwissen vermitteln; andererseits soll dem Informatiker, der auf einem dieser Anwendungsgebiete tätig werden will, ein Überblick über die Anwendungen der Informatikmethoden in diesem Gebiet gege ben werden. Für Praktiker, wie Programmierer, Systemanalytiker, Organi satoren und andere, stellen die Bände Hilfsmittel zur Lösung von Proble men der täglichen Praxis bereit; darüber hinaus sind die Veröffentlichun gen zur Weiterbildung gedacht. CAD-Entwurfskontrolle in der Mikroelektronik Mit einer Einführung in den Entwurf kundenspezifischer Schaltkreise Von Dipl.-Ing. Wolfgang Nebel Universität Kaiserslautern Mit 139 Bildern B. G. Teubner Stuttgart 1985 Dipl.-Ing. Wolfgang Nebel Geboren 1956. Von 1975 bis 1982 Studium der Elektrotechnik an der Universi tät Hannover, seit 1982 wiss. Mitarbeiter am Fachbereich Informatik der Uni versität Kaiserslautern. CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Nebel. Wolfgang: CAD-Entwurfskontrolle in der Mikroelektronik: mit e. Einf. in d. Entwurf kundenspezif. Schaltkreise / von Wolfgang Nebel. - Stuttgart: Teubner, 1985. (Leitfäden der angewandten Informatik) ISBN 978-3-519-02476-7 ISBN 978-3-322-94653-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-94653-9 Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, besonders die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Bildentnahme, der Funksendung, der Wiedergabe auf pho tomechanischem oder ähnlichem Wege, der Speicherung und Auswertung in Datenverarbei tungsanlagen, bleiben, auch bei Verwertung von Teilen des Werkes, dem Verlag vorbehalten. Bei gewerblichen Zwecken dienender Vervielfältigung ist an den Verlag gemäß § 54 UrhG eine Vergütung zu zahlen, deren Höhe mit dem Verlag zu vereinbaren ist. © B. G. Teubner, Stuttgart 1985 Gesamtherstellung: Zechnersche Buchdruckerei GmbH, Speyer Umschlaggestaltung: W. Koch, Sindelfingen Vorwort Das vor1iegende Buch entstand aus einem Skript zur Vor1esung "CAD-Hi1fsmitte1 zur Entwurfskontro11e hochinte grierter Digita1scha1tungen". Diese Vor1esung wird seit 1983 von mir unter wissenschaft1icher Verantwortung von Herrn Prof. Dr.-Ing. R. W. Hartenstein geha1ten. Sie ist Bestandteil des Hauptstudiums Informatik der Universität Kaisers1autern. Neben einer gründ1ichen Überarbeitung wurde das Skript im wesent1ichen um zwei einführende Kapite1 ergänzt. Das erste gibt dem Leser in knapper Form einen Einstieg in die NMOS-Scha1tungstechnik. Dieses Kapite1 richtet sich insbesondere an zwei Leserschichten: Erstens den Informatiker, der CAD-Hi1fsmittel entwerfen wi1l und eine einfache Darste11ung der e1ektrotechnischen Hintergründe sucht. Der zweite Personenkreis sind Entwick1er e1ektronischer Scha1tungen, denen dieses Kapite1 a1s Einführung in den Entwurf kundenspezifischer Scha1tungen dienen kann. In beide Leserkreise beziehe ich auch Studenten der entsprechenden Fachrichtungen ein. Das Kapite1 geht bewußt nicht auf festkörperphysika1ische Einze1heiten und komp1izierte Transistormode11e ein. Es orientiert sich vie1mehr am bekannten' Lehrbuch "Introduction to VLSI Systems" von Carver Mead und Lynn Conway /9/. Ich bitte a11e Ha1b1eiter-Physiker und Techno1ogen, diese Abstraktion zu verzeihen. Das zweite Kapite1 gibt eine Übersicht über die verschiedenen Schritte, die von einer Scha1tungsidee bis zum fertigen Chip führen. Hier werden die verschi~denen Betrachtungsebenen während der Entwurfsphase und die CAD-Werkzeuge, die in den verschiedenen Abstraktionsebenen zur Verfügung stehen, aUfgezeigt. In diesem Kapite1 werden die Grund1agen für einen strukturierten SChaltungsentwurf ge1egt, dessen grundsätz1iche Bedeutung ich im gesamten Buch hervorhebe. 6 Vorwort Kapitel 3 und 4 befassen sich mit zwei Schwerpunkten der Entwurfskontrolle integrierter Schaltungen. dem Design Rule-Check und der Schaltkreisextraktion. Zu beiden Gebieten werden unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten vorgestellt. Diese Algorithmen haben sieh größtenteils bereits in der Industrie und an Hochschulen bewährt. Es werden in der Regel jedoch nicht einzelne existierende Programme präsentiert. sondern es wird versucht. Klassen von Programmen zusammen zufassen und deren Algorithmen in einer einfachen pseudo-formalen Schreibweise darzustellen. Auch hier wurden im Sinne einer anschaulichen Präsentation hin und wieder Details vereinfacht. Hervorzuheben ist. daß die vorgestellten Verfahren über den hier vorliegenden Anwendungsfall hinaus eine gewisse Allgemeingültigkeit in der graphischen Verarbeitung großer Datenmengen haben. Die Rückgewinnung der Schaltungsbeschreibung auf höhere Betrachtungsebenen ist Inhalt der Kapitel 5 und 6. Diese Thematik ist z.Zt. noch Gegenstand der Forschung und konnte deshalb nicht umfassend dargestellt werden. Die Kapitel wurden aber trotzdem im Buch belassen. um dem Leser Anregungen für zukünftige Entwicklungen zu geben und um den Trend der Entwicklung aufzuzeigen. Auch der Schaltungsvergleich. der zu einer vollständigen SChaltungsverifizierung gehört. wurde in Kapitel 7 nur angedeutet. da die hier verwendeten Verfahren aus dem Themenkreis der graphischen Datenverarbeitung herausfallen. die ansonsten den Schwerpunkt des Buches bildet. An dieser Stelle danke ich Herrn Prof. Hartenstein. der durch zahlreiche DiSkussionen und Anregungen zum Entstehen dieses Buches beigetragen hat. Mein Dank gilt auch Herrn Michael Weber. der die Zeichnungen trotz immer neuer Änderungswünsche meinerseits angefertigt hat. sowie meiner Frau Ragnhild für ihre Geduld bei der Durchsicht und Kritik des Manuskripts. Kaiserslautern. im FrÜhjahr 1985 Wolfgang Nebel Inhalt YERWENPETE SYMBOLE 10 EINFÜHRUNG 1 1 NMOS SCHALTUNGSTECHNIK 14 1. 1 EINFÜHRUNG . 14 1.2 TRANSISTOREN 14 1.2.1 DER SELBSTSPERRENDE NMOS-TRANSISTOR 14 1.2.2 DER SELBSTLEITENDE NMOS-TRANSISTOR 17 1.2.3 TECHNOLOGIE 19 1.3 VERBINDUNGSTECHNIK 27 1.3.1 VERBINDUNGEN INNERHALB EINER EBENE 27 1.3.2 VERBINDUNGEN ZWISCHEN EBENEN 29 1.4 EINFACHE NMOS-SCHALTUNGEN 32 1.4.1 DER INVERTER . . 32 1.4.2 DAS NANO-GATTER 35 1.4.3 DAS NOR-GATTER 36 1.4.4 ALLGEMEINE EINSTUFIGE NMOS-SCHALTUNGEN 37 1.4.5 DER PASS-TRANSISTOR 38 2 PER YLSI ENTWURFSPROZESS ~2 2.1 DIE FUNKTIONALEBENE 43 2.2 DIE REGISTER-TRANSFER-BESCHREIBUNG 44 2.3 DIE LOGIKEBENE 47 2.4 DIE SCHALTKREISEBENE 51 2.5 DIE LAYOUT-EBENE . . 61 3 TOPOGRAPHISCHE LAYOUTKONTROLLE 72 3.1 POLYGON-ORIENTIERTER DESIGN-RULE-CHECK 75 3. 1.1 LOGISCHE OPERATIONEN AUF LAYER 76 3. 1.2 DESIGN-RULE-CHECK-ALGORITHMEN 81 3. 1.2. 1 VERGLEICH INNENLAGE 81 3.1.2.2 SCHNITTPUNKTSERMITTLUNG 84 3.1.2.3 SCHRUMPFEN UND EXPANDIEREN VON SYMBOLEN 89 3. 1.2.4 PROBLEMATIK DES EXPANDIERENS . 95 3.2 RASTER-ORIENTIERTER DESIGN-RULE-CHECK 98 3.2. 1 LOGISCHE OPERATIONEN AUF LAYER 99 3.2.2 DESIGN-RULE-CHECK-ALGORITHMEN 101 8 Inhalt 3.2.3 PARTITIONIERUNG BEIM RASTER-ORIENTIERTEN DESIGN-RULE-CHECK lOB 3.2.4 DESIGN-RULE-CHECKER-MASCHINE 112 3.3 HIERARCHISCHER DESIGN-RULE-CHECK 118 4 SCHALTKREISEXTRAKTION 125 4.1 POLYGON-ORIENTIERTE SCHALTKREISEXTRAKTION 127 4 • 1 • 1 ERMITTLUNG DER NETZLISTE EINER SCHALTUNG AUS DEM LAYOUT 128 4. 1 .2 PARASITÄRE KAPAZITÄTEN 143 4.1.2. 1 URSACHE PARASITÄRER KAPAZITÄTEN 143 4.1.2.2 EXTRAKTION PARASITÄRER KAPAZITÄTEN 146 4.1.2.2. 1 FLÄCHENBERECHNUNG 147 4.1.2.2.2 UMFANGSBERECHNUNG 150 4. 1 .3 PARASITÄRE WIDERSTÄNDE 150 4.1.3.1 FLÄCHENAUFSPALTUNG VON LEITUNGEN 152 4. 1 .3 .2 BESTIMMUNG DER HAUPTSTROMRICHTUNG 152 4.1.3.3 PARAMETRISIERTES WIDERSTANDSMODELL 153 4. 1 .3.4 SCHWÄCHEN DER WIDERSTANDSBERECHNUNG 158 4.2 RASTER-ORIENTIERTE SCHALTKREISEXTRAKTION 160 4.2. 1 ERMITTLUNG DER NETZLISTE . .... . 162 4.2. 1.1 ERMITTLUNG DER KNOTEN DER SCHALTUNG 163 4.2. 1 .2 ERMITTLUNG DER TRANSISTORANSCHLÜSSE 165 4.2.2 KAPAZITÄTSBERECHNUNG . 169 4 .2.3 WIDERSTANDSBERECHNUNG 170 4.2.4 EXTRAKTIONSMASCHINE 172 4.3 HIERARCHISCHE SCHALTKREISEXTRAKTION 174 5 LOGIKEXTRAKTION . . . . 181 5.1 KNOTENKLASSIFIZIERUNG 181 5.2 DER NETZWERKBAUM 184 5.3 PFADERMITTLUNG 188 5.4 GESAMTLOGIK 189 5.5 RÜCKKOPPLUNGEN 189 6 RT-EXTRAKTION 191 6.1 RT-EXTRAKTION AUF GATTEREBENE 191 6.2 RT-EXTRAKTION FUNKTIONALER BLÖCKE 192 6.2.1 RT-EXTRAKTION DURCH SYNTHESE 193 6.2.2 ANALYTISCHE RT-EXTRAKTION 194 6.3 RT-EXTRAKTION DER GESAMTSCHALTUNG 194 Inhalt 9 7 VERGLEICH VON NETZWERKEN 195 LITERATURVERZEICHNIS 201 SACHVERZEICHNIS 207
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