Podręcznik

Dla uproszczenia i zmniejszenia pracochłonności stosowane bywają dwa uproszczone sposoby reprezentacji topografii: topografia wyrażona w postaci zwanej półsymboliczną przy pomocy warstw abstrakcyjnych oraz topografia w postaci symbolicznej wyrażona poprzez schemat kreskowy.

Rysunek 4 7. Maski tranzystora nMOS (a) i odpowiadająca im topografia zbudowana z warstw abstrakcyjnych (b)

 

Reprezentacją półsymboliczną topografii nazywamy taką reprezentację, w której obok obiektów geometrycznych reprezentujących wprost 

warstwy fizyczne występujące w strukturze układu (na przykład polikrzem, metal) występują także obiekty o złożonej strukturze, takie jak obszar aktywny N+, obszar aktywny P+, kanał tranzystora. Obiekty te występują na warstwach abstrakcyjnych. Warstwami tymi przy projektowaniu posługujemy się tak samo, jak maskami, jednak warstwy abstrakcyjne nie są równoważne maskom. Obiekty geometryczne na warstwach abstrakcyjnych odpowiadają pewnym kombinacjom obiektów na dwóch lub więcej maskach. Przykładowo: warstwa „obszar aktywny N+” oznacza obszar aktywny, do którego wykonano implantację donorów. Każdy obiekt geometryczny na tej warstwie oznacza więc obszar wspólny obiektów na dwóch maskach: na masce obszaru aktywnego i na masce implantacji typu n. Z kolei kanał tranzystora nMOS powstaje tam, gdzie obszar polikrzemu przecina obszar aktywny typu N+. Zatem obiekt geometryczny na warstwie abstrakcyjnej „kanał tranzystora nMOS” oznacza obszar wspólny obiektów na trzech maskach: obszaru aktywnego, implantacji typu n i polikrzemu. Gdy topografia układu jest już zaprojektowana, edytor topografii przekształca obiekty geometryczne na warstwach abstrakcyjnych na odpowiednie obiekty na maskach. Rysunek 4-7 ilustruje ideę warstw abstrakcyjnych.

Zastosowanie umiejętnie zdefiniowanych warstw abstrakcyjnych przynosi kilka korzyści:

• Topografia układu staje się bardziej przejrzysta i czytelna.
• Interesujące dla konstruktora obiekty (przede wszystkim tranzystory) rysuje się wprost, a nie jako kombinacje kształtów na kilku maskach.
• Znaczną część reguł projektowania można ukryć w algorytmach przekształcania warstw abstrakcyjnych na maski, przez co zbiór reguł projektowania ulega dużemu uproszczeniu.

Uproszczone skalowalne reguły projektowania zdefiniowane w umownych jednostkach lambda odnoszą się często do warstw abstrakcyjnych, chociaż mogą też być zdefiniowane dla masek, tak jak te pokazane w poprzednim punkcie. Są one tak obmyślone, że mogą być stosowane do wielu różnych technologii, pod warunkiem ustalenia właściwego dla danej technologii przeliczenia lambdy na mikrometry. Reguły skalowalne są proste i jest ich niewiele. Jednak po to, aby można je było dostosowywać do różnych technologii bez zmian, a jedynie przez dobór wielkości lambdy, mają one zwykle minimalne wymiary, odstępy itp. określone z pewnym zapasem. Zatem stosując tego rodzaju reguły otrzymujemy topografię układu nieco mniej gęsto „upakowaną”, zajmującą nieco większą powierzchnię niż w przypadku stosowania reguł ściśle dostosowanych do jednej konkretnej technologii. Nie ma to jednak w praktyce na ogół większego znaczenia. 

W typowych systemach projektowania (również w przypadku programu „Microwind”) reguły projektowania są definiowane w pliku technologicznym, a nie w samym programie. Umożliwia to stosowanie systemu projektowania do różnych technologii. Plik technologiczny definiuje także warstwy abstrakcyjne (ich nazwy, wygląd – kolor, deseń – na ekranie komputera) oraz algorytmy przekształcania obiektów na warstwach abstrakcyjnych na obiekty na maskach fotolitograficznych.

Rysunek 4 8. Maski tranzystora nMOS (a) i odpowiadająca im topografia w postaci schematu kreskowego (b)

Reprezentacją symboliczną topografii w postaci schematu kreskowego nazywamy taką reprezentację, w której wszystkie obiekty takie, jak obszary aktywne, obszary polikrzemu i ścieżki połączeń są przedstawione w postaci linii prostych. Taka reprezentacja abstrahuje od rzeczywistych wymiarów obiektów i określa jedynie ich wzajemne położenia oraz połączenia elektryczne między nimi, do czego służą symbolicznie przedstawione kontakty. Ideę schematu kreskowego ilustruje rysunek 4-8. 

Istnieją edytory topografii, które pozwalają narysować topografię w postaci schematu kreskowego, a następnie potrafią przetworzyć ten schemat na rzeczywistą topografię (tj. komplet masek) przy zastosowaniu reguł projektowania danej technologii. Jednak otrzymane w ten sposób topografie są dalekie od doskonałości. Metoda schematów kreskowych miała przed laty okres pewnej popularności, ale utraciła tę popularność, gdy pojawiły się systemy projektowania umożliwiające automatyczną syntezę topografii przy zastosowaniu komórek standardowych (będzie o tym mowa dalej). Dziś można polecić metodę schematów kreskowych jako sposób wstępnego rozplanowania rozmieszczenia elementów. Nawet jeśli nie mamy edytora topografii przystosowanego do rysowania schematów kreskowych, naszkicowanie takiego schematu na papierze pozwala wstępnie ocenić, jak wzajemnie rozmieścić elementy i połączenia w projektowanym fragmencie układu.

Mimo wielu lat intensywnych prac projektowania topografii w stylu full custom nie udało się jak dotąd skutecznie zautomatyzować, Dlatego tym sposobem projektowania posługujemy się tylko wtedy, gdy jest to niezbędne. Jest kilka takich przypadków:
•    projektowanie układów analogowych,
•    projektowanie topografii komórek standardowych (będzie o nich mowa dalej),
•    prowadzenie połączeń między wnętrzem układu, a pierścieniem pól montażowych.

Zasadą powszechnie stosowaną w projektowaniu dużych układów jest projektowanie hierarchiczne. Z reguły każdy większy układ, a w tym praktycznie wszystkie układy cyfrowe, składa się z pewnej liczby bloków funkcjonalnych, każdy z tych bloków z kolei można podzielić na mniejsze i prostsze bloki funkcjonalne itd., aż dojdziemy do poziomu najprostszych bramek. Ta naturalna hierarchia jest widoczna nie tylko na poziomie architektury i schematu logicznego układu, ale znajduje także bezpośrednie odbicie w projekcie topografii. Każdy profesjonalny edytor topografii umożliwia projektowanie hierarchiczne, które polega na tym, że w projekcie topografii można używać wcześniej zaprojektowanych bloków jako obiektów wstawianych w całości i reprezentowanych przez prostokątne obrysy. W projekcie zorganizowanym hierarchicznie dopiero po zakończeniu dokonuje się spłaszczenia hierarchii, tj. topografię zorganizowaną hierarchicznie przekształca się na topografię, w której nie ma już hierarchicznie zorganizowanych bloków, lecz jedynie tranzystory i połączenia. Taka topografia jest potrzebna do wykonania końcowej kontroli reguł projektowania oraz do wytworzenia masek produkcyjnych.

Hierarchiczna organizacja projektu topografii nie tylko pozwala uzyskać bardziej przejrzysty i łatwiejszy do opanowania projekt dużego układu, ale także znacznie zmniejszyć jego pracochłonność, jeśli ten sam blok powtarza się w projekcie w wielu miejscach. Projektuje się go wówczas tylko raz, a następnie wstawia wszędzie, gdzie trzeba. Jest to regułą w układach cyfrowych. Rysunki 4-9 i 4-10 przedstawiają prosty przykład topografii hierarchicznej. W jej skład wchodzą dwa kompletne bloki oraz połączenia między nimi.
 

Rysunek 4 9. Topografia hierarchiczna z dwoma blokami oraz połączeniami

 

Rysunek 4 10.  Topografia hierarchiczna z rys. 4-9 po spłaszczeniu

 

Nieco dalej znajdziesz ćwiczenia, które nauczą Cię podstaw projektowania topografii układu w stylu full custom przy zastosowaniu reprezentacji półsymbolicznej.