Σχεδίαση και χαρακτηρισμός ψηφιακής βιβλιοθήκης (Standard Cell Library) στα 22nm

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει την ολοκληρωμένη σχεδιαστική ροή και τον χαρακτηρισμό μιας βιβλιοθήκης 39 ψηφιακών κελιών στην τεχνολογία των 22nm FD-SOI, με σταθερό ύψος 10 tracks. Η σχεδίαση επικεντρώθηκε στη λογική της ελαχιστοποίησης των διαστάσεων των τρανζίστορ, επιτυγχάνοντας υψηλή πυκνότητα σχεδιασμού. Αναλύεται διεξοδικά η μεθοδολογία της φυσικής σχεδίασης, η οποία περιλαμβάνει τη δημιουργία των σχηματικών κυκλωμάτων, τον σχεδιασμό των φυσικών διατάξεων και την εξαγωγή των παρασιτικών στοιχείων (xACT views), αξιοποιώντας την πλατφόρμα εργαλείων της Cadence. Η υλοποίηση απαρτίζεται από 38 συνδυαστικά κελιά, 1 ακολουθιακό καθώς και 12 βοηθητικά physical - only κελιά ώστε να εξασφαλίζεται σχεδιαστική πληρότητα. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάπτυξη του κατάλληλου περιβάλλοντος δοκιμών (testbenches) και στον ακριβή χαρακτηρισμό της απόδοσης των κελιών υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας (μεταβολές τάσης και θερμοκρασίας). Για τα συνδυαστικά cells, τα παραμετρικά sweep πραγματοποιήθηκαν μέσω του εργαλείου Cadence ADE Assembler. Όσον αφορά το ακολουθιακό cell, η διαδικασία υλοποιήθηκε με ταυτόχρονη χρήση του γραφικού περιβάλλοντος του maestro καθώς και χρησιμοποιώντας netlists και scripts για το Spectre, τον προσομοιωτή του Assembler, μέσω του τερματικού, επιτρέποντας την αποτελεσματική μέτρηση των πιο πολύπλοκων χρονικών περιορισμών, συγκεκριμένα των Setup, Hold, Removal, Recovery και του ελάχιστου πλάτους παλμού (MPW). Ο τελικός στόχος της εργασίας είναι η δημιουργία πλήρως λειτουργικών αρχείων του πρότυπου Liberty (.lib) χωρίς τη χρήση κάποιου ειδικού λογισμικού χαρακτηρισμού. Η μοντελοποίηση των κελιών βασίστηκε στο Μη-Γραμμικό Μοντέλο Καθυστέρησης (NLDM), με την παραγωγή πινάκων αναζήτησης (Look-Up Tables - LUTs) που αποτυπώνουν με ικανοποιητική ακρίβεια τη χρονική συμπεριφορά και την κατανάλωση ισχύος κάθε λογικής πύλης, ενώ η εργασία ολοκληρώνεται με την αξιολόγηση των επιδόσεων των κυκλωμάτων σε 3 διαφορετικούς συγκριτικούς άξονες.