姚程寬，王立平，曹立勇，光 峰，盧燦舉，王 偉，趙 彥

(1.安慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 公共基礎(chǔ)部，安徽 安慶 246003；2.國防科技大學(xué) 電子對抗學(xué)院，安徽 合肥 230037；3.中國電子科技集團公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230088；4.福州瑞星微電子有限公司，福建 福州 350003)

IC行業(yè)進入大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代已經(jīng)接近50年，芯片的工業(yè)制程發(fā)展到目前的14、10 nm，正在努力向7、5 nm等更小的間距發(fā)展，單位面積的硅片上能容納蝕刻的晶體管數(shù)量急劇增加。集成電路的設(shè)計、制造、封裝的過程中，任何一個環(huán)節(jié)的差錯帶來的損失都難以估計。其中設(shè)計環(huán)節(jié)的缺陷最難發(fā)現(xiàn)，在后期造成的危害和損失也最大。因此對于芯片設(shè)計缺陷，要盡早發(fā)現(xiàn)，在物理圖設(shè)計中進行全面的測設(shè)和驗證，用最小的代價修正缺陷，提升IC設(shè)計可靠性[1-3]。

1 IC設(shè)計與驗證的現(xiàn)狀

IC的可靠性，又稱為電路對抗電氣故障的魯棒性(robustness)，指電路某些參數(shù)受到干擾的狀態(tài)下，維持正常性能的能力，直接表現(xiàn)為工作中電路偏離平衡狀態(tài)后調(diào)整回原平衡狀態(tài)的能力。隨著制程工藝越來越小，對版圖的形狀設(shè)計會更加敏感，IC的可靠性風(fēng)險更難以掌控。

為了保證設(shè)計出的IC電路的可靠性，需要一套完整的驗證方法，即規(guī)則驗證。IC設(shè)計與驗證是密不可分的2個環(huán)節(jié)，一款優(yōu)秀的IC產(chǎn)品一定是經(jīng)過了縝密的設(shè)計和完整的驗證2個環(huán)節(jié)。通過規(guī)則驗證完成對電路架構(gòu)、電流密度計算、寄生電阻測量、版圖位置等問題的靜態(tài)和動態(tài)的檢查，找出影響電路可靠性的問題。沒有一種方法可以檢測出所有的故障和潛在的不確定性問題，特別是進入14 nm新制程時代以后，器件更小，導(dǎo)線更細(xì)，柵氧化層更薄，現(xiàn)有的故障排除機制面臨巨大挑戰(zhàn)，甚至如靜電放電(ESD)、金屬電遷移(EM)、天線效應(yīng)(antenna effect)以及閂鎖(latch-up)等常見故障都難以完全排除[4-6]。

2 規(guī)則驅(qū)動衍生驗證設(shè)計模式

H.Chang等人[7]首次提出以規(guī)則衍生為核心的設(shè)計模式，即規(guī)則驅(qū)動設(shè)計模式，利用圖形匹配算法實現(xiàn)元器件匹配，并在指定區(qū)域進行子電路的匹配。匹配完成后，規(guī)則驅(qū)動模式還可以對最終物理版圖進行規(guī)則驗證。

規(guī)則驅(qū)動型設(shè)計模式流程清晰、周期短、風(fēng)險小、成本低，目前已經(jīng)成為IC設(shè)計的主要方式之一，特別是在較為簡單的低層級的芯片設(shè)計中，如汽車、游戲、家電等領(lǐng)域的控制芯片。對于多層級和跨層級的芯片和芯片集群，該方案驗證的效率較低，不足以成為量產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)計方案。因此本文對H.Chang等人[7]的方案進行了優(yōu)化。

2.1 規(guī)則驅(qū)動衍生驗證設(shè)計模式

圖1 規(guī)則驅(qū)動衍生驗證設(shè)計流程

借助于第三方驗證平臺Calibre PERC，提出規(guī)則驅(qū)動衍生驗證設(shè)計流程(圖1)。

圖1中的LVS是Calibre PERC的驗證工具，用于進行版圖和電路圖的比較。衍生規(guī)則來源于電路圖形庫、版圖網(wǎng)層表和電路圖網(wǎng)層表，衍生規(guī)則需進行衍生驗證。而常規(guī)規(guī)則驗證的是衍生規(guī)則、設(shè)計規(guī)則和版圖庫。即衍生規(guī)則進行了二次驗證，相比文獻[7]，增加了衍生規(guī)則及衍生驗證。RVE是Calibre PERC的結(jié)果顯示環(huán)境，違規(guī)規(guī)則最終輸入RVE，能夠在RVE中查看、分析和研究結(jié)果。

2.2 規(guī)則衍生

一般的設(shè)計流程是在IC設(shè)計框架中事先定義電路圖、版圖的設(shè)計規(guī)則，將其存入設(shè)計規(guī)則庫。而衍生規(guī)則不能夠事先定義，而是以版圖網(wǎng)層表、電路圖層表以及電路圖形庫三者為基礎(chǔ)，經(jīng)過融合、迭代和進化等一系列的衍生過程后，得到新的規(guī)則。這三者中，又以電路圖形庫為基礎(chǔ)，識別和檢測版圖和電路圖中的子電路，電路圖形庫在一定程度上代表了模塊化的IC設(shè)計方案。衍生過程開始通過匹配算法將預(yù)先定義的設(shè)計規(guī)則分配給匹配的元器件，衍生結(jié)束后導(dǎo)出衍生規(guī)則文件[8-11]。

2.3 兩次規(guī)則驗證

規(guī)則驗證指借助一套給定的約束來驗證物理版圖的合規(guī)性。本文的2次驗證均通過Calibre PERC和它的邏輯驅(qū)動版圖(LDL)功能實現(xiàn)，驗證過程在Calibre PERC的IC設(shè)計環(huán)境中運行(圖2)[12-15]。

圖2中的流程分為3個部分:

1)輸入部分。輸入包括3部分：規(guī)則庫、電路圖網(wǎng)層表以及版圖數(shù)據(jù)庫。Calibre PERC平臺中包括1個LVS規(guī)則集。

2)驗證過程。首先將電路圖網(wǎng)層表和版圖庫依照規(guī)則進行匹配和交叉引用，這里的規(guī)則來源于兩方面，一是LVS規(guī)則集，另一個是經(jīng)過分析的自定義規(guī)則庫。然后驗證規(guī)則是否滿足條件，常規(guī)規(guī)則和衍生規(guī)則2個方向分別進行。滿足條件的需進行應(yīng)用檢查，視為違規(guī)規(guī)則，最后存入結(jié)果數(shù)據(jù)庫；不滿足條件的存入斷言數(shù)據(jù)庫[16-19]。

3)輸出部分。2個輸出結(jié)果數(shù)據(jù)庫分別是斷言和違規(guī)規(guī)則。

2.4 試驗結(jié)果

試驗選用游戲鼠標(biāo)芯片進行性能分析。游戲鼠標(biāo)是專門為了滿足游戲的需求而設(shè)計的鼠標(biāo)，除了保證更高的性能和舒適度以外，可以根據(jù)不同的游戲自定義附加功能，提升操作效率，而實現(xiàn)這一目標(biāo)的核心就是專用游戲鼠標(biāo)芯片[20-21]。目前，中國有多家企業(yè)可以實現(xiàn)自主設(shè)計和制造游戲鼠標(biāo)芯片，產(chǎn)品覆蓋高、中、低端市場。

本文選擇設(shè)計一款常用的中等檔次游戲鼠標(biāo)芯片，采用2種方法進行比較。一是日常設(shè)計方案，二是規(guī)則驅(qū)動衍生驗證方案，基于0.4 μm工藝制程流片，對流片后的2組芯片進行測試，結(jié)果見表1。

表1 2種流片的性能檢測結(jié)果比較

從表1中可以看到，在影響IC穩(wěn)定性的常見問題所涉及的幾個主要參數(shù)中，規(guī)則驅(qū)動衍生驗證方案的各種性能都有所提高?；诔杀镜目紤]，試驗的2組流片是基于0.4 μm的，如果進行工業(yè)化的納米級流片，性能應(yīng)該會有更高的提升。但是，從設(shè)計周期的角度看，本文的設(shè)計周期延長了20%～30%，犧牲了一定的時間成本，提高了IC的穩(wěn)定性，這是有待提高的地方。

3 結(jié) 論

IC產(chǎn)品不同于一般的工業(yè)產(chǎn)品，其性能和質(zhì)量很大程度上取決于設(shè)計和驗證環(huán)節(jié)，本文從IC設(shè)計和驗證2個角度進行了改進。從流片試驗的結(jié)果來看，進一步提升了IC的穩(wěn)定性，為IC設(shè)計提供了一種新的研究方向。