基于icc2placement阶段优化标准单元局部密度的分析与研究【字数：18211】
摘 要随着现代化社会不断的进步，集成电路（芯片）已经与我们的生活密不可分。如今先进工艺设计中，标准单元的局部密度合理性，高工作频率问题等，已经成为集成电路设计的关键性问题。本论文基于Synopsys的EDA工具IC Compiler II进行了在后端设计中Placement（放置）阶段对标准单元局部密度进行优化。在Placement阶段将放置数以万计的标准单元，而标准单元的局部密度一直是业界在这个阶段关系的核心问题之一。本文通过某公司7nm高性能图形处理器的子模块进行设计，使用Placement Blockage（放置阻碍）手段对标准单元的放置进行一定的限制，在IC Compiler II中将设计的子模块划分成大量的正方形Partial blockage，通过Tcl脚本把设定的Partial blockage信息写入并应用，使标准单元的局部密度降低在设定的范围内，能够提高布线阶段的效率以及避免造成拥堵（congestion）等问题，并通过设定不同的优化密度参数进行对比实验，在子模块设计的各项参数在满足公司的相关设计要求下进一步提高Placement的质量，从而达到对标准单元的局部密度进行优化的目的。
目 录
第一章 绪论 1
1.1集成电路设计发展现状 1
1.2论文选题背景与意义 3
第二章 集成电路后端设计流程 7
2.1引言 7
2.2布局规划（Floorplan） 7
2.3放置阶段（Placement） 8
2.4时钟树综合（CTS） 9
2.5布线阶段（Route） 10
2.6工程变更指令（ECO） 11
第三章 标准单元及工艺规则要求 12
3.1标准单元库介绍 12
3.2标准单元介绍 13
3.3台积电7nm工艺设计规则要求 14
第四章 放置标准单元及结果 17
4.1放置标准单元的原理 17
4.2标准单元放置的过程 18
4.2.1 Floorplan阶段 19
4.2.2 Placement阶段 22
4.3放置标准单元的数据结果 24 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
4.4放置标准单元的图像结果 25
第五章 优化标准单元的局部密度 28
5.1优化标准单元局部密度的原理 28
5.2标准单元局部密度的优化方案 29
5.2.1使用的Tcl语言脚本 30
5.2.2优化方案的应用 31
5.3优化标准单元局部密度的结果 31
5.4各项结果对比分析 38
结束语 41
致 谢 42
参考文献 43
附 录 44
附录A 优化后的子模块设计 44
附录B 本设计使用的流程 45
第一章 绪论
随着现代化社会的不断发展，越来越多的智能终端设备进入人们的日常生活中。如今，人们的生活水平不断的提高，在我们的日常生活中，对于集成电路（芯片）我们几乎没有一天离开过它，消费者对于前沿的科技产品有着非常大的需求，无论是小小的各种手表、耳机等产品，还是各种冰箱、洗衣机等大型家电产品，都在向着更智能化、更节能化、更高性能化的方向发展。如今，集成电路成为了实现信息化、人工智能（AI）等方面的重要基础，无论是军事上还是民用上，它已起着不可替代的作用[1]。虽然这些产品的体型、实现的功能和用途等多种多样，但它们拥有一个共性就是都是通过集成电路（芯片）进行工作。
1.1集成电路设计发展现状
放眼世界，经历了近百年发展的集成电路行业，如今正被世界上大多数国家视为发展的“重中之重”，集成电路的设计更是这个行业的关键点，世界上的集成电路行业逐渐演变成了“谁拥有关键的核心技术谁就拥有话语权”的局面，而在最新的2018全球半导体25强名单中，前三依然是韩国和美国持续领跑，依次为三星电子（Samsung Electronics）、英特尔（Intel）和海力士（SK Hynix），如图11所示。从中值得肯定的是，这份最新的25强名单中，中国除了中国台湾的联发科（MediaTek），中国大陆的华为海思登入了榜单21位，这说明了我国在芯片设计行业正奋起直追，以华为海思领跑的中国军团也正在努力的追赶和形成。
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图11 2018全球半导体25强名单
从中国科学院应用物理所于1956年研制出锗合金晶体管和中国北京电子管厂也于1958年研制出硅合金晶体管[2]，中国集成电路经历了六十余年的发展历史，值得骄傲的是我国目前的集成电路厂商在世界范围类也处于领先位置，根据相关的数据显示，2018中国十大芯片设计企业如图12所示。我国以华为海思位居榜首，华为海思的芯片无论是在中国国内还是全世界都享有不错的知名度和声誉。
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图12 2018中国十大芯片设计企业
就在去年的德国柏林IFA 2018会展中，当国外的行业领先企业还在准备自己的全新7nm芯片做最后的测试和发布准备时，8月31日，华为发布了历时36个月研发的麒麟980 7nm智能手机芯片，如图13所示。这场发布会引起了全世界的关注，挑战全新的制造工艺，在不足1cm2的面积内集成了近69亿晶体管，随之带来的能效、性能大幅提升。使得华为一举拿下世界上第一个使用7nm工艺的SoC等多项世界第一，这为这场展会带来了令人振奋的科技盛宴。
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图13 华为发布麒麟980芯片
这场发布会标着商用集成电路（芯片）正是进入7nm时代，在此后国际厂商高通（Qualcomm）也发布了自己强劲的骁龙(Snapdragon)芯片加入了7nm阵营。然而，以英特尔（Intel）、超威（AMD）半导体和英伟达（NVIDIA）三家公司在个人电脑（PC）市场上几乎处于垄断地位，由于作为主导地位的英特尔掌握着性能优异的核心技术，导致近年来个人电脑市场上制造工艺一直维持在14nm停滞不前，超威半导体在2018年9月打破规则发布12nm的锐龙芯片，并在2019年1月将自家GPU芯片带进7nm工艺。
从各个国家、不同领域的集成电路发展现状来看，如今的集成电路工艺来到了先进的7nm制程，这使如今的集成电路性能大幅提升，功耗大幅降低，功能变得更加强大。而在集成电路设计方面，由于集成电路后端设计必须使用EDA工具才能进行，设计集成电路的工具主要来自于美国的新思（Synopsys）、铿腾（Cadence）和明导（Mentor Graphics）三家公司，并且几乎处于垄断地位，对于在布局布线方面，业界绝大多数均使用Cadence的EDI、Synopsys的IC Complier。由于在2015年这两家公司都推出了他们的后续升级版本分别是Innovus和IC Complier II，新版本的工具无论是在运行速度，还是在界面的设计都有了很大幅度的提升，所以现今更多的厂商使用他们对应的升级版本。在处理时序问题方面，Synopsys的 PrimeTime使用的更多。在物理检查以及验证方面，使用的更多的是Mentor Graphics得Calibre。
目 录
第一章 绪论 1
1.1集成电路设计发展现状 1
1.2论文选题背景与意义 3
第二章 集成电路后端设计流程 7
2.1引言 7
2.2布局规划（Floorplan） 7
2.3放置阶段（Placement） 8
2.4时钟树综合（CTS） 9
2.5布线阶段（Route） 10
2.6工程变更指令（ECO） 11
第三章 标准单元及工艺规则要求 12
3.1标准单元库介绍 12
3.2标准单元介绍 13
3.3台积电7nm工艺设计规则要求 14
第四章 放置标准单元及结果 17
4.1放置标准单元的原理 17
4.2标准单元放置的过程 18
4.2.1 Floorplan阶段 19
4.2.2 Placement阶段 22
4.3放置标准单元的数据结果 24 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
4.4放置标准单元的图像结果 25
第五章 优化标准单元的局部密度 28
5.1优化标准单元局部密度的原理 28
5.2标准单元局部密度的优化方案 29
5.2.1使用的Tcl语言脚本 30
5.2.2优化方案的应用 31
5.3优化标准单元局部密度的结果 31
5.4各项结果对比分析 38
结束语 41
致 谢 42
参考文献 43
附 录 44
附录A 优化后的子模块设计 44
附录B 本设计使用的流程 45
第一章 绪论
随着现代化社会的不断发展，越来越多的智能终端设备进入人们的日常生活中。如今，人们的生活水平不断的提高，在我们的日常生活中，对于集成电路（芯片）我们几乎没有一天离开过它，消费者对于前沿的科技产品有着非常大的需求，无论是小小的各种手表、耳机等产品，还是各种冰箱、洗衣机等大型家电产品，都在向着更智能化、更节能化、更高性能化的方向发展。如今，集成电路成为了实现信息化、人工智能（AI）等方面的重要基础，无论是军事上还是民用上，它已起着不可替代的作用[1]。虽然这些产品的体型、实现的功能和用途等多种多样，但它们拥有一个共性就是都是通过集成电路（芯片）进行工作。
1.1集成电路设计发展现状
放眼世界，经历了近百年发展的集成电路行业，如今正被世界上大多数国家视为发展的“重中之重”，集成电路的设计更是这个行业的关键点，世界上的集成电路行业逐渐演变成了“谁拥有关键的核心技术谁就拥有话语权”的局面，而在最新的2018全球半导体25强名单中，前三依然是韩国和美国持续领跑，依次为三星电子（Samsung Electronics）、英特尔（Intel）和海力士（SK Hynix），如图11所示。从中值得肯定的是，这份最新的25强名单中，中国除了中国台湾的联发科（MediaTek），中国大陆的华为海思登入了榜单21位，这说明了我国在芯片设计行业正奋起直追，以华为海思领跑的中国军团也正在努力的追赶和形成。
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图11 2018全球半导体25强名单
从中国科学院应用物理所于1956年研制出锗合金晶体管和中国北京电子管厂也于1958年研制出硅合金晶体管[2]，中国集成电路经历了六十余年的发展历史，值得骄傲的是我国目前的集成电路厂商在世界范围类也处于领先位置，根据相关的数据显示，2018中国十大芯片设计企业如图12所示。我国以华为海思位居榜首，华为海思的芯片无论是在中国国内还是全世界都享有不错的知名度和声誉。
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图12 2018中国十大芯片设计企业
就在去年的德国柏林IFA 2018会展中，当国外的行业领先企业还在准备自己的全新7nm芯片做最后的测试和发布准备时，8月31日，华为发布了历时36个月研发的麒麟980 7nm智能手机芯片，如图13所示。这场发布会引起了全世界的关注，挑战全新的制造工艺，在不足1cm2的面积内集成了近69亿晶体管，随之带来的能效、性能大幅提升。使得华为一举拿下世界上第一个使用7nm工艺的SoC等多项世界第一，这为这场展会带来了令人振奋的科技盛宴。
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图13 华为发布麒麟980芯片
这场发布会标着商用集成电路（芯片）正是进入7nm时代，在此后国际厂商高通（Qualcomm）也发布了自己强劲的骁龙(Snapdragon)芯片加入了7nm阵营。然而，以英特尔（Intel）、超威（AMD）半导体和英伟达（NVIDIA）三家公司在个人电脑（PC）市场上几乎处于垄断地位，由于作为主导地位的英特尔掌握着性能优异的核心技术，导致近年来个人电脑市场上制造工艺一直维持在14nm停滞不前，超威半导体在2018年9月打破规则发布12nm的锐龙芯片，并在2019年1月将自家GPU芯片带进7nm工艺。
从各个国家、不同领域的集成电路发展现状来看，如今的集成电路工艺来到了先进的7nm制程，这使如今的集成电路性能大幅提升，功耗大幅降低，功能变得更加强大。而在集成电路设计方面，由于集成电路后端设计必须使用EDA工具才能进行，设计集成电路的工具主要来自于美国的新思（Synopsys）、铿腾（Cadence）和明导（Mentor Graphics）三家公司，并且几乎处于垄断地位，对于在布局布线方面，业界绝大多数均使用Cadence的EDI、Synopsys的IC Complier。由于在2015年这两家公司都推出了他们的后续升级版本分别是Innovus和IC Complier II，新版本的工具无论是在运行速度，还是在界面的设计都有了很大幅度的提升，所以现今更多的厂商使用他们对应的升级版本。在处理时序问题方面，Synopsys的 PrimeTime使用的更多。在物理检查以及验证方面，使用的更多的是Mentor Graphics得Calibre。
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