Layout-Generatoren für den Analogentwurf in kleinen Technologieknoten

Produktbeschreibung

Der Entwurf analoger integrierter Schaltungen ist in der Ingenieurspraxis eine komplexe und äußerst herausfordernde Aufgabe. Unzählige Details müssen Entwicklungsingenieure bei den erforderlichen Entwurfsschritten berücksichtigen. Durch vielfältige Rückwirkungen und oft unvollständige Spezifikationen sind Iterationen dabei unumgänglich. Gerade bei modernen Technologien mit immer kleineren Strukturbreiten steigen die Rückwirkungen enorm an und so wird die Erfüllung der Spezifikation eine zunehmende Herausforderung in technischer und ökonomischer Hinsicht. Neue Halbleitertechnologien erfordern zudem häufige Aktualisierungen der vom Hersteller per PDK gelieferten Technologiedaten, wodurch es zu
weiteren Entwurfsiterationen kommt. Der noch immer vorwiegend manuelle Analogentwurf wird unter diesen Bedingungen immer aufwendiger und teurer.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sind daher Methoden entwickelt worden, die es ermöglichen, prozedurale und parametrisierbare Abläufe zur Layouterstellung (und damit prozedurale Generatoren) durch Mittel der Abstraktion auch in kleinen Technologieknoten zu verwenden. Die so realisierte Automatisierung des Layouts beschleunigt Entwurfsschritte
und erleichtert Iterationen im Analogentwurf. Das vorgeschlagene Generator-Konzept bindet zudem Templates ein, die Layouts abstrakt und flexibel beschreiben. Diese Kombination ist ein möglicher Wegbereiter für die Verbindung generatorbasierter Ansätze mit optimierungsbasierten Ansätzen. Die vorliegende Arbeit liefert damit einen Beitrag zur zukünftig angestrebten Layoutsynthese analoger integrierter Schaltungen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit diese beiden Ansätze kombinieren wird.

Inhalt
Begriffe und Abkürzungen…………VIII
Zeichen und Benennungen ………………….XI
Kurzfassung ………………….XIV
Abstract ………………………………. XV
1 Einleitung…………………………………….. 1
1.1 Analoge Schaltungen in Mikrochips …………………… 2
1.2 Herausforderungen und Motivation für die Analogautomatisierung ………… 4
1.3 Generator-Methode zur Unterstützung des Entwurfs……………… 7
2 Grundlagen zum Analogentwurf…………………….. 9
2.1 Begriffsdefinitionen……………………………… 9
2.2 Analogentwurf ………………………… 13
2.2.1 Vergleich von Analog- und Digitalentwurf ………….. 13
2.2.2 Entwurfsschritte ……………………… 15
2.2.3 Analoge Grundschaltungen……………………. 18
2.2.4 Layoutentwurf ……………………….. 18
2.3 Einfluss der Miniaturisierung auf den Analogentwurf …………….. 22
2.3.1 Grundlegendes zur CMOS-Fertigung ……………….. 23
2.3.2 Entwurfsregeln …………………….. 26
2.3.3 Parasitäten und layoutabhängige Effekte ……………………. 27
2.4 Zusammenfassung ……………………….. 29
3 Stand der Technik der Analogautomatisierung………………… 30
3.1 Einführung…………………… 30
3.2 Top-down-Automatisierung ………………………….. 31
3.2.1 Optimierungsbasierte Ansätze…………………….. 32
3.2.2 Template-basierte Ansätze ………………… 33
3.3 Bottom-up-Automatisierung……………………. 34
3.3.1 Prozedurale Generatoren ……………………….. 35
3.3.2 Varianten von Generatoren ………………. 35
3.3.3 Generatoren im heutigen Analogentwurf…………………… 39
3.4 Zusammenfassung ………………… 40
4 Motivation und Ziele der Arbeit………………… 42
5 Technologieabstraktion ……………………. 44
5.1 Motivation für die Technologieabstraktion …………………. 44
5.2 Unterschiede zwischen Halbleiter-Technologien………………… 46
5.2.1 Technologie-Varianten…………………. 47
5.2.2 Technologiedaten ………………………. 48
5.2.3 Entwurfsregeln ………………………… 56
5.2.4 Layoutabhängige Effekte ………………………… 59
5.2.5 Zusammenfassung……………………….. 62
5.3 Abstraktion von Layout-Informationen…………………….. 63
5.3.1 Generische Technologiedaten ……………… 64
5.3.2 Generische Layout-Elemente ………………… 68
5.3.3 Relationen zwischen Layout-Elementen………………….. 70
5.4 Experimentelle Untersuchungen und Anwendung……………………. 73
5.4.1 Grundsätzlicher Funktionsnachweis ………………… 73
5.4.2 Einsatz in konkreten Entwurfsprojekten und Grenzen…………… 77
5.5 Zusammenfassung ………………….. 78
6 Bottom-up-Beschreibung von Layouts ……………………… 80
6.1 Implizite Layout-Beschreibung ………………….. 80
6.1.1 Programmablauf und Abstraktionsgrad ……………….. 81
6.1.2 Möglichkeiten und Grenzen der impliziten Beschreibung…………….. 83
6.2 Layout-Beschreibung mit expliziten Mitteln…………………………… 85
6.2.1 Abbildung der Layout-Struktur auf einen Graph …………………….. 86
6.2.2 Analyse und Adaption der explizit erfassten Layout-Beschreibung……………… 90
6.3 Experimentelle Untersuchungen………………………… 98
6.3.1 DAC-Stromspiegelstufe ………………………. 98
6.3.2 Adaption der Generator-Beschreibung……………103
6.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerung ……………………… 106
6.4.1 Einsatz von Technologieabstraktion und eines Platzierungsgraphen ………….. 106
6.4.2 Layout-Adaption explizit erfasster Bottom-up-Beschreibungen ………… 107
6.4.3 Diskussion und Schlussfolgerung ……………………… 108
7 Explizite Top-down-Methoden für Layout-Generatoren………………. 110
7.1 Abgrenzung von der Bottom-up-Beschreibung……………….. 110
7.2 Templates für die Layout-Planung ……………………… 113
7.2.1 Reguläre Anordnungen ………………………….. 114
7.2.2 Frei definierbare Anordnungen …………………………. 118
7.2.3 Hierarchische Templates …………………… 123
7.3 Kombination von Top-down- und Bottom-up-Beschreibung …………….. 126
7.3.1 Prozedurale Generatoren und Templates in der Layout-Hierarchie……… 127
7.3.2 Einbettung von Templates in prozedurale Generatoren…………….. 129
7.3.3 Implementierungsansatz für die zügige Generator-Entwicklung………… 132
7.4 Experimentelle Untersuchungen und Diskussion………………….. 133
7.4.1 Generatoren mit regulären Layout-Templates ……………… 135
7.4.2 Generatoren mit frei definierbaren Layout-Templates………………. 138
7.4.3 Diskussion des kombinierten Generator- und Template-Ansatzes ……….. 141
7.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung ……………… 147
8 Gesamtzusammenfassung und Ausblick……………………. 149
8.1 Ergebnisse dieser Arbeit……………………….. 149
8.2 Schlussfolgerungen für den Analogentwurf und die Generator-Entwicklung …….. 151
8.3 Ausblick………………………… 153
Anhänge…………………………….. 156
Literaturverzeichnis………………………….. 167

Keywords: Entwurfsautomatisierung, EDA, Layout, Analog, Integrierte Schaltungen, IC-Entwurf, Generatoren, Templates, Designflow, Platzierung, Design automation, EDA, layout, analog, integrated circuits, IC design, generators, templates, design flow, placement