Φυσική σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

Φυσική σχεδίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Βασικές έννοιες και τεχνικές Γιώργος Δημητρακόπουλος Δημοκριτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Φθινόπωρο 2013 Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 1

Τι χρειαζόμαστε για να φτιάξουμε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα; Τρανζίστορ Θέλουμε δύο είδη NMOS και PMOS Πρέπει να είναι απομoνωμένα μεταξύ τους Καλώδια Χρειαζόμαστε πολλά καλώδια Χρησιμοποιούμε πολλά επίπεδα καλωδίων Χρειαζόμαστε μόνωση μεταξύ διαφορετικών καλωδίων Χρειαζόμαστε συνδέσεις μεταξύ των καλωδίων και των τρανζίστορ Χρειαζόμαστε συνδέσεις μεταξύ των καλωδίων διαφορετικών επιπέδων Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 2

Πως φτιάχνεται το ΝΜΟS τρανζίστορ; tox NMOS W Good Insulator Polysilicon Gate Oxide tox W NMOS L N+ L N+ Source Drain Κατασκευάζεται πάνω σε ένα στρώμα πυριτίου (τύπου p) Δύο n+ περιοχές διάχυσης H λειτουργία βασίζεται στην κίνηση των ηλεκτρονίων Ο ακροδέκτης gate από πολυσιλικόνη Στις μέρες μας άλλου είδους μέταλλο Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 3

Πως μοιάζει στην πραγματικότητα; Source Gate Drain Source Gate Drain N+ P-substrate N+ Η απόσταση μεταξύ των δύο περιοχών N+ διάχυσης καθορίζει το P+ P+ μέγεθος του τρανζίστορ Μήκος Gate και κατ επέκταση N-Well του καναλιού P-substrate NMOS PMOS Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 4

Πως φτιάχνεται το PΜΟS τρανζίστορ; PMOS Good Insulator Source Gate Drain W tox P+ P+ L N-Well P-substrate PMOS Κατασκευάζεται πάνω σε ένα στρώμα πυριτίου τύπου n Προσφέρεται σε μορφή πηγαδιού (n-well) πάνω από το p-υποστρωμα Έτσι και NMOS και PMOS στο ίδιο υπόστρωμα Δύο p+ περιοχές διάχυσης H λειτουργία βασίζεται στην κίνηση των οπών (το κενό που αφήνει πίσω ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο) Ο ακροδέκτης gate από πολυσιλικόνη Στις μέρες μας άλλου είδους μέταλλο Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 5

NMOS και PMOS NMOS Good Insulator PMOS Good Insulator tox W tox W L L Τα δύο τρανζίστορ μπορούν να κατασκευαστούν σε κοινό υποστρωμα Το Ν-well διαχωρίζει τη λειτουργία των δύο τρανζίστορ Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 6

Πως φτιάχνονται τα καλώδια; Πολυ-επίπεδη καλωδίωση μας επιτρέπει να υλοποιούμε σύνθετες συνδέσεις καταλαμβάνοντας λίγο εμβαδο Τα διαφορετικά επίπεδα μετάλλου επικοινωνούν με vias Οι γραμμές διασύνδεσης συνήθως από χαλκό Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 7

Η μάσκα επιλογής και ενεργού περιοχής Active layer + N-Select = N-Diff Active layer + P-Select + N-Well = P-Diff Η περιοχή διάχυσης δεν είναι από μόνη της μια μάσκα Αποτελείται από δύο επιμέρους μάσκες: Την ενεργό περιοχή (active) Την περιοχή επιλογής N-select για NMOS τρανζίστορ P-select για PMOS τρανζίστορ Κάποια παλαιότερα εργαλεία σχεδιασμού επέτρεπαν τη παράλειψη του active-layer (υπονοείται έμμεσα από n-diff και το p-diff) Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 8

Αντιστροφέας: το πρώτο παράδειγμα VDD PMOS VDD In Out In Out GND NMOS GND Η πρώτη εικόνα είναι poly πάνω από diff που σημαίνει τρανζίστορ Θέλουμε VDD και GND και μια έξοδο Aυτές τις συνδέσεις θα πραγματοποιηθούν με καλώδια Θα χρησιμοποιήσουμε δηλαδή επιπλέον επίπεδα μετάλλου Πως γίνεται αυτό; Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 9

Σύνδεση περιοχών διάχυσης με άλλους κόμβους With Contacts No Contacts Πως θα συνδέσουμε τους ακροδέκτες source και drain ενός τρανζίστορ με άλλα τρανζίστορ Χρειαζόμαστε καλώδια από μέταλλο (χαλκός) H σύνδεση του καλωδίου με τις περιοχές διάχυσης πραγμαποιείται με επαφές (contacts) Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 10

Φυσικό σχέδιο αντιστροφέα VDD VDD VDD In Out In Out GND GND IN OUT Οι συνδέσεις του VDD και του GND πραγματοποιούνται με πολύγωνα σε μέταλλο-1 (πρώτου επιπέδου) To metal-1 συνδέεται με δύο πράγματα Με την πολυσιλικόνη για την πύλη των τρανζίστορ Με τις περιοχές διάχυσης με contacts GND Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 11

3D αναπαράσταση φυσικού σχεδίου αντιστροφέα Αυτό δημιουργεί ο σχεδιαστής 2D layout view Cut line Diffusion Transistor Gate Metal wire Contact Oxide-Insulation Well Αυτό κατασκευάζεται substrate 3D cross-section layout view Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 12

Ροή ρεύματος στον αντιστροφέα VDD IN Current Flow Cap OUT To ρεύμα διαρρέει τα μέταλλα, τα τρανζίστορ και επιστρέφει στη γή πάλι μέσω μετάλλου πρώτου επιπέδου Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 13

Τρανζίστορ σε σειρά Χωριστές περιοχές διάχυσης Ενωση με metal-1 Κοινές περιοχές διάχυσης Έξοδος κόμβου σε metal-1 με μία επαφή Πλήρως διαμοιρασμένη περιοχή διάχυσης Όχι επαφή στον κόμβο Η σύνδεση τρανζίστορ σε σειρά μπορεί να επιτευχθεί με πολλούς τρόπους Για το ίδιο σχηματικό μπορεί να προκύπτουν διαφορετικές παραλλαγές σε φυσικό σχέδιο Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 14

Τρανζίστορ παράλληλα Τα τρανζίστορ που είναι συνδεδεμένα παράλληλα δεν μπορούν ποτέ να έχουν μια πλήρως μοιρασμένη περιοχή διάχυσης Χρειαζόμαστε πάντα μια επαφή και metal-1 για τον ενδιάμεσο κόμβο Οι άλλες δύο περιοχές drain (ή source) πρέπει και αυτές να ενωθούν με metal-1 Θα μπορούσαμε να της ενώσουμε εκτείνωντας την περιοχή διάχυσης Κακή επιλογή Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 15

Ενναλακτικές υλοποιήσεις Πύλη NOR Z Δύο NMOS τρανζίστορ παράλληλα και 2 PMOS σε σειρά Ποιο είναι καλύτερο για την πύλη NOR. Η απάντηση απαιτεί γνώση χωρητικοτήτων των τρανζίστορ (στα επόμενα μαθήματα) Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 16

Απλοί κανόνες σχεδίασης Επέλεξε μια κοινή κατεύθυνση για τις γραμμές καλωδίωσης Διαδοχικά επίπεδα καλωδίωσης πρέπει να κινούνται κάθετα Παράδειγμα: Metal-1 οριζόντια, Metal-2 κάθετα Tοποθέτησε τις γραμμές τροφοδοσίας στο υψηλότερο επίπεδο Τοποθέτησε τα τρανζίστορ με τέτοιο τρόπο ώστε να μοιράζονται τις περιοχές διάχυσης Τοποθέτησε τα τρανζίστορ ώστε να έχουν κοινή είσοδο να ευθυγραμμίζονται αμέσως Ελαχιστοποίησε το μήκος των περιοχών διάχυσης και πολυσιλικόνης Χρησιμοποιήσε αντί γι αυτές γραμμές metal-1 Επέλεξε ομοιόμορφους σχεδιασμούς με επαναληψιμότητα κελιών Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 17

Παράδειγμα σύνθετη πύλη CMOS (1) D C B A Z B C D A A B C D Κάθε CMOS λογική πύλη αποτελείται από δύο περιοχές διάχυσης (P+ και Ν+) Τόσες γραμμές πολυσιλικόνης όσες και οι είσοδοι της πύλης Διασχίζουν συνήθως κάθετα και τις δύο περιοχές διάχυσης Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 18

Παράδειγμα σύνθετη πύλη CMOS (2) D C B A B C D Z GND X Z X Z A X A B C D Αναγνωρίζουμε όλους τους κόμβους του κυκλώματος Χ (Εσωτερικός κόμβος) Ζ (Κόμβος εξόδου) GND και VDD (γραμμές τροφοδοσίας) Αναθέτουμε τους κόμβους στα άκρα των τρανζίστορ στο φυσικό σχέδιο Αν ο κόμβος πρέπει να συνδεθεί με άλλο σημείο προσθέτουμε επαφή και metal-1 Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 19

Παράδειγμα σύνθετη πύλη CMOS (3) D C VDD B A Z B C D Z A B C D A X GND X Συνδέουμε τους κοινούς κόμβους μεταξύ τους με γραμμές metal-1 Αποφεύγουμε τις διασταυρώσεις που θα βραχύκλωναν διαφορετικούς κόμβους Με παράλληλες γραμμές πάνω και κάτω ενώνουμε τις γραμμές τροφοδοσίας Πρόσθεσε πηγάδια και συνδέσεις πηγαδιού!!!! Δε φαίνονται στο σχήμα Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 20

Παράδειγμα: Δύο διαδοχικές πύλες Shared VDD/GND INV NOR Η σύνδεση των δύο πυλών απαιτεί επιπλέον επίπεδο μετάλλου Το πηγάδι μοιράζεται από τις δύο πύλες Οι γραμμές τροφοδοσίας VDD, GND κοινές Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 21

Πλήρως ελεύθερη σχεδίαση VDD contact shared Shared VDD/GND INV NOR Στην πλήρως ελεύθερη σχεδίαση μπορούμε να «κλέψουμε» χώρο συνενώνοντας δύο πύλες Συνεχόμενες περιοχές διάχυσης μεταξύ των πυλών Μοίρασμα επαφών INV GND contact shared NOR Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 22

Πλήρως ελεύθερη σχεδίαση: Εύκολη αντιγραφή κελιών Σχεδιάζουμε με τέτοιο τρόπο το βασικό κελί ώστε να είναι εύκολη η επανάληψη του σε μία ή δύο διαστάσεις Lines Aligned Automatically 0 1 2 Basic Block 3 Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 23

Περιορισμοί φυσικού σχεδίου εξαιτίας της κατασκευής Surround rules Exclusion rules Design Rules Width rules Overlap rules Η κατασκευή επιβάλλει πολλούς περιορισμούς στο φυσικό σχέδιο δε μπορούμε να ζωγραφίσουμε όπως θα θέλαμε πάντοτε Περιορισμοί ανάλυσης ακρίβειας Το μικρότερο πλάτος μιας μάσκας Η ελάχιστη δυνατή απόσταση που εξασφαλίζει την απουσία βραχυκυκλωμάτων Περιορισμοί ευθυγράμμισης/επικάλυψης Ευθυγράμμιση των μασκών Πάντα κατά την κατασκευή απαιτείται κάποια ανοχή ώστε να επιτύχει Σε μοντέρνες τεχνολογίες πολύ περισσότεροι περιορισμοί: Περιορισμοί ελάχιστης πυκνότητας Περιορισμοί proximity Spacing rules Antenna rules Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 24

Ευέλικτοι περιορισμοί φυσικού σχεδίου Βασίζονται στο λ ανεξάρτητα της τεχνολογίας κατασκευής Ως 2λ ορίζουμε την μικρότερη πλευρά ενός πολύγωνου που μπόρούμε να ζωγραφίσουμε Σήμερα 2λ < 45nm Επιβάλλουν μόνο γωνίες 90 ο Βοήθησαν σημαντικά στην εξέλιξη και την απλοποίηση της σχεδίασης VLSI 6 6 2 4 4 4 4 2 4 4 1 4 Metal-Diff-Contact Diffusion 4 4 2 12 3 Polysilicon Well Spacing Metal-1 Metal-2 Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 25

NMOS Τα πηγάδια και αναγκαίες συνδέσεις Gate PMOS Gate Source Drain Source Το πηγάδι πρέπει να είναι συνδεδεμένο σε μια σταθερή τάση ώστε να διατηρεί τις παρασιτικές διόδους ανάστροφα πολωμένες Αυτό επιτυγχάνεται με απλές ωμικές συνδέσεις του πηγαδιού Drain Gate Gate Source Drain Source Drain N+ N+ P+ P+ P-region N-region Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 26

Συνδέσεις πηγαδιού Σχηματίζονται τοποθετώντας περιοχές p+ στο υπόστρωμα και n+ στο n πηγάδι Οι επαφές αυτές εξασφαλίζουν καλή ηλεκτρική σύνδεση (ωμική όχι δίοδος) Πρέπει να έχουμε τουλάχιστον μία επαφή ανα περιοχή (πηγάδι) Συνδέονται σε κατάλληλη τάση ώστε οι δίοδοι επαφής που σχηματίζονται να είναι ανάστρωφα πολωμένες substrate 2D layout view P- Ohmic Substrate Contact 3D cross-section layout view N- Omhic Well Contact Cut Line Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 27

Συνδέσεις πηγαδιού σε CMOS πύλες Well contacts Subtrate Contacts Το υπόστρωμα ή το πηγάδι για κάθε τρανζίστορ λειτουργεί ως ένας επιπλέον ακροδέκτης για το τρανζίστορ (bulk) Τρανζίστορ σε σειρά όπως σε NAND πύλες συνδέονται σε κοινή τάση Προκαλεί το φαινόμενο σώματος Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 28

Ιεραρχικό Pitch καλωδίων Ιntel 45nm Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα Γ. Δημητρακόπουλος / 29

Γιατί πολλά επίπεδα καλωδίωσης; Οι γραμμές πολυσιλικόνης και οι περιοχές διάχυσης έχουν πολύ κακή αγωγιμότητα (υψηλή αντίσταση) Αποκλειστικά για χρήση σε πολύ κοντινές αποστάσεις Στα όρια μιας πύλης Το πρώτο επίπεδο καλωδίωσης: metal-1 Μπορεί εύκολα να διασχίσει κοντινές αποστάσεις Μπορεί να συνδεθεί απ ευθείας με περιοχές διάχυσης και πολυσιλικόνης Επιτρέπει τη σύνδεση με τα υπόλοιπα επίπεδα καλωδίωσης Καλό για συνδέσεις μέσα στα κελιά ή μεταξύ γειτονικών κελιών Υπόλοιπα ενδιάμεσα επίπεδα μετάλλου: metal-2 έως metal-6 Κοινά χαρακτηριστικά Ικανά για όλες τις συνδέσεις του κυκλώματος Ανώτερα επίπεδα μετάλλου: metal-7έως metal-9 Καλώδια μεγαλύτερου πάχους (μεγαλύτερη διατομή) ώστε να επιτρέπουν τη ροή μεγάλων ρευμάτων Χαμηλή αντίσταση ανά μονάδα επιφάνειας Σε αραιότερη απόσταση (coarse pitch) Χρήσιμα για τη διαμοίραση των VDD και GND, του σήματος ρολογιού και άλλων σημάτων που πρέπει να διανύσουν πολύ μεγάλες αποστάσεις μέσα στο ολοκληρωμένο κύκλωμα Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 30

Διαγράμματα stick VDD A Z GND Αφαιρετική δομή που μας επιτρέπει να συγκεντρωθούμε στη δομή του φυσικού σχεδίου Πολύ χρήσιμα σε περιπτώσεις σύνθετων φυσικών σχεδίων Πρόχειρος υπολογισμός του εμβαδού Πόσες παράλληλες γραμμές meal-1 απαιτούνται Που προκύπτουν διασταυρώσεις Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 31

Δομικά στοιχεία διαγραμμάτων stick B A C PMOS Metal-Diff Contact METAL-1 POLY NMOS NDIFF B C Metal-Poly Contact A Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 32

Παράδειγμα: Πύλες NAND/ΝΟR VDD NAND A Z Z B A B GND VDD NΟR B A Z A B Z GND Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 33

Παραδείγματα: Πύλες AOI22 Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 34

Παράδειγμα: Πολύ σύνθετες πύλες VDD VDD Z Z A B C D E Broken Diffusion GND B C A D E Full Sharing - No Break Αποφύγετε τα κενά από τα N και P diff Κερδίζετε ωφέλιμο χώρο Για ενιαίες περιοχές διάχυσης χωρίς διακοπές: Τοποθέτησε στο φυσικό σχέδιο τα τρανζίστορ με τέτοια σειρά ώστε στο σχηματικό της πύλης να μπορείς να τα επισκεφτείς όλα με μια μονοκονδυλιά (Μονοπάτια Euler) Η σειρά που θα ταιριάζει στη μονοκονδυλιά του NMOS δικτύου πρέπει να ταυτίζεται με αυτή του PMOS δικτύου Οι περιοχές διάχυσης δεν μπορεί πάντα να είναι ενιαίες Δύσκολη η φυσική σχεδίαση των πυλών μετάδοσης (transmission gates) GND Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 35

Φυσικές διαστάσεις τρανζίστορ NMOS Good Insulator NMOS Good Insulator tox W tox W L L L L Διάγραμμα stick VDD W W A Z Τα διαγράμματα stick περιγράφουν μόνο τη δομή της πύλης Τα πραγματικά τρανζίστορ έχουν μήκος (L) και πλάτος (W) τα οποία επιλέγει ο σχεδιαστής Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 36 GND

Γρήγορη εκτίμηση εμβαδού 8 8 8 VDD 4 4+W Από τους περιορισμούς φυσικού σχεδίου Z 8 8 A B C GND 4+W 4 Ανάλογα με τα μεγέθη των τρανζίστορ το ίδιο διάγραμμα stick μπορεί να σημαίνει και άλλη υλοποίηση σε φυσικό σχέδιο Με βάση του περιορισμούς φυσικού σχεδίου και τη δομή του stick διαγράμματος μπορούμε να υπολογίσουμε πρόχειρα το εμβαδό της πύλης Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 37

Ποσα contacts να βάλω σε μεγάλα τρανζίστορ; Current flow Current flow Contact N+ N+ Edge Contact Basic Layout Multiple Contacts Σε τρανζίστορ μεγάλου πλάτους (W) πάντα προσθέτουμε περισσότερα contacts «Οριοθετούν» καλύτερα το ηλεκτρικό πεδίο μονοπάτι μικρότερης αντίστασης Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 38

Τρανζίστορ μεγάλου πλάτους: Εναλλακτικές δομές Small Transistor W No Folding 4W Size Growing Diection Transistor Folding 2x Folding 4x Folding Fixed Height 2W W Gates Connected to Same Input Τα τρανζίστορ μεγάλου πλάτους εμφανίζουν: Μεγάλο εμβαδό περιοχών διάχυσης - χωρητικότητα Μέγάλο μήκος για πολυσιλικόνη αντίσταση Επιθυμούμε εναλλακτικά layouts Transistor Folding: Ένα τρανζίστορ μεγάλου πλάτους σχεδιάζεται σαν πολλά μικρότερα τρανζίστορ συνδεδεμένα παράλληλα Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα 39