[科普中国]-单元程序库

由优秀的设计者们经过长时间的努力设计出的基本门(如NOR门)和标准网络的密集的版图，存贮在计算机存贮器(即磁盘或磁带)中。这种收集的许多版图称作单元程序库，且这种版图叫做单元。一旦建立起单元程序库，任何设计者都可以把具体的单元调到作为计算机终端的CRT荧光屏上。

基本介绍在集成电路实现方法中，在全定制方法太浪费时间，或者由于生产量少，在经济上不合算，并采取流行的封装又太松散时(由于增加了许多转换器和大的电源，因此太浪费，或者由于互连长而太慢)，半定制方法是一种折衷的设计方法。半定制的设计方法有以下几种：单元程序库设计方法；结构(万能)门阵列；可程序逻辑陈列（PLA）；全片随意布线定值LSI等。

由优秀的设计者们经过长时间的努力设计出的基本门(如NOR门)和标准网络的密集的版图，存贮在计算机存贮器(即磁盘或磁带)中。这种收集的许多版图称作单元程序库，且这种版图叫做单元。一旦建立起单元程序库，任何设计者都可以把具体的单元调到作为计算机终端的CRT荧光屏上。使用光笔或键盘把它们排列起来，并在它们之间进行互连，就可设计出完整网络的版图。在这个版图完成了时，使用计算机自动地制出光掩膜。这种设计方法叫做单元程序库设计方法1。

单元程序库设计方法利用CRT-CAD系统，也可以设计出新的单元。适用新设计的单元和经过改进的实际使用的那些单元，设计者通过计算机存贮的信息完成设计操作。一旦新单元设计出来了，就可以完全用数据处理来表征，并且在电气上是有充分根据的，即它的全部特性是能够测量的，并可以经计算机存贮的。在这些操作特性限制内，设计者可以改变标准单元尺寸和它的输入、输出点的位置，计算机存贮的单元数据包括任何给定器件的全部拓扑数据和掩膜层次，并且可以利用这些数据结合成给定的定制LSI的设计。与给定工艺相容的各层互连经过各单元能够设计出定制IC，使用错误检验程序也可以对设计者的工作进行检验，以防违背设计规律，使用各种布局和发给计算机的程序，能够半自动地把各单元互连成最后所需要的功能结构。电源和逻辑信号一般是在给定单元各行之间通过，以使和各单元之间的相互影响最小。单元程序库方法使定制LSI设计所需的时间最短，但同全定制设计LSI相比，要经受着芯片面积使用效率的问题，图形设计效率低，只有50~60%。但是，这个缺点被较短的设计周期和由于使用预表征单元功能而使电路设计冒险性小所补偿。这种方法借助于计算机存贮的数据可使重复设计的时间短，并且可以自检，以防止违背设计规则。单元程序方法主要应用在MOS工艺中，而且很容易应用在比较规律的阵列设计中，因为这时需要随机的互连少。由于双极门所需的单元面积大，掩膜次数多，结果面积利用率低，所以，目前对双极电路来说，棕准单元的实用性受到限制。单元程序库方法允许半熟练的人进行定制LSI的设计，并提供(纸带)输出，这种输出直接同各种掩膜制造设备，如自动绘图系统、计算机驱动光电绘图机、图形发生器系统等等相容。单元程序库设计过程相互配合的性质推动着这种方法，使其更好地更有效地使用芯片面积，最终可使用宏单元完成设计，而这种宏单元实质上是作为单元存贮的更复杂功能的单元。这些宏单元可以是A/D转换器、ALU、乘法器等等，并可被设计者用来设计成VLSI定制电路。

另一种使用计算辅助设计的概念是使用“符号版图设计”，从而，设计者可以使用逻辑图，并且经相互配合的计算机显示完全输入符号。每种显示可以是字母、数字和多种颜色，而符号和颜色是设计者事先确定好的，并同给定工艺相容。现在，每种符号定义为一复杂的多层结构，而设计者就不用做实际拓扑。比如，对给定的IC工艺，“×”这个符号可以表示扩散掩膜，“I”表示金属掩膜，0为接触掩膜信息。各种颜色可以类似地指出各种扩散、多晶硅或金属面积。作为设计者的信息，还应包括可以得到各种特性的“菜单”。这种“菜单”能使设计者在CRT上概括地给出版图图形设计的范围，并使之满足一组给定的约束。各种矩阵的结合，为设计者任选，以使最后定制电路最佳化。再加上专用的排除程序中错误的特点，允许设计者选择版图图形上的任意结点，并追踪到那个结点的全部导电通路。最后检验是否违背设计规则。这可用来检查器件连接的是否适当。同全定制图形设计相比，使用这种方法能达到实际硅片面积损失小到10%，这就使这种方法更有吸引力。完善的软件检查和电路模拟程序使这种方法适合需要，因为它们有助于使设计中人为的错误最少。也不能忽略在把最后的设计转换到掩膜这一步中消除错误的固有的优点。因为这是经过计算机产生纸带输出来完成的。在LSI设计中所需要的最后的图形设计和掩膜错误的成本投资完全不需要了。现在正在发展中的使用计算机驱动的直接书写电子束图形发生系统，在晶片上直接产生IC图形，这将完全取消制造掩膜。

当每个单元的高度相同，但宽度可以不同时，单元程序库设计方法又称为多单元设计方法(或标准单元或阵列)设计方法，(或者叫做积木设计方法)。虽然过去叫做单元程序库方法，并且现在也常常这样叫，但是为了避免与门阵列中使用的单元和程序库的术语混淆，现在叫做多单元或标准单元设计方法。

Bell实验室有使用CAD程序的很广泛的多单元版图设计系统。如车间中使用的LTX。这不仅适用于有几千个单元的nMOS，而且也适用于有几千个单元的TTL、ELC和I2L。设计有500个单元的芯片的版图大约需要一周1。

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学