文章來源：EETOP

原文作者：Sandra Shaji

本文介紹了器件工藝協同優化中加速版圖設計的三種方法。

器件工藝協同優化（DTCO）流程需要生成海量版圖。本文將介紹幾種借助自動化手段，加速這一耗時流程的實現方法。

隨著工藝節點持續微縮，簡單的環形振蕩器仿真已無法為器件、標準單元與后端互連（BEOL）架構決策提供足夠指導。因此，晶圓代工廠正大力投入新工藝節點與工藝設計套件（PDK）的開發方法，器件工藝協同優化（DTCO）也隨之興起。

DTCO 是一套覆蓋多階段的設計方法，從工藝假設、器件架構到后端互連定義全流程貫穿；同時也用于制定光刻與工藝限制相關的設計規則，并在模塊級 RTL 階段完成規則驗證。在工藝定義早期引入 DTCO，可確保架構決策能夠滿足模塊級的功耗、性能與面積（PPA）目標。

版圖創建：DTCO 中的核心挑戰

DTCO 流程始于工藝假設、器件架構與互連規則定義（包括材料與幾何結構）；隨后對器件進行仿真，并從器件電流與電容特性中提取 BSIM-CMG 緊湊模型；最終基于約束條件完成標準單元庫的搭建。

單元版圖工作包括晶體管的布局與布線、電源地連接布線，以及信號輸入輸出引腳定位。通過版圖與原理圖一致性檢查（LVS）工具比對版圖與原理圖，驗證邏輯正確性；通過設計規則檢查（DRC）確保版圖滿足所有設計規則。

當通過 LVS 與 DRC 的版圖完成后，需要提取單元互連的電阻電容（RC）參數 —— 這些參數基于材料與幾何假設建模得到。最終，將 RC 網表與器件模型結合，用于單元特性表征，生成時序功耗模型的 liberty 文件，供模塊布局布線仿真使用。

一套單元庫包含數百個標準單元，若對每種架構都手動完成版圖，會帶來巨大的時間開銷，導致DTCO 難以實現合理的迭代周期。為加快評估效率，需要采用自動化版圖生成方案。

本文將介紹三種加速版圖設計階段的方法：

層次化版圖設計：支持工程師復用基礎模塊，少量修改即可自動同步到所有單元，大幅減少工作量。

文本式 GDS（GDT）：提供人類可讀格式，便于版圖解析、編輯與文本差異對比。

Python gdspy：提供可編程方案，用于批量版圖處理，尤其適用于扁平化、非層次化的單元庫。

面向版圖創建的層次化設計

版圖工程師無需為每種單元架構方案從頭繪制每個晶體管與互連線，而是可以構建一套可復用的層次化模塊，并在標準單元中實例化調用。層次化模塊的任何修改，都會自動同步到所有調用它的標準單元中，從而節省大量時間。只需微調少量單元，即可快速搭建面向不同架構的版圖庫，版圖階段無需大量重復手動工作。

文本式GDS：GDT 格式

圖1. 適用于 GDS 的簡單版圖示例

EDA 工具可輕松將此類版圖轉換為 GDSII 文件格式。開源工具 GDS2GDT可進一步將版圖從GDSII 格式轉為 GDT 文本格式。上述版圖對應的 GDT 格式如圖 2 所示。

圖2. 圖1對應的 GDT 格式

GDS 的文本可讀格式使用更加便捷：可直接通過編輯多邊形、路徑與模塊實例的坐標，輕松解析與修改版圖；同時，對比兩份版圖時，只需進行簡單的文本差異比對即可。

基于gdspy 的 GDS 版圖操作

另一種從現有庫自動生成單元庫的方式，是使用gdspy Python 庫。這是一款開源庫，支持通過腳本生成與 / 或修改版圖。如前文所述，它在扁平化、非層次化版圖庫中尤為實用。為便于說明，我們以開源 ASAP7 單元庫中的部分代碼為例。

表1. 如何遍歷單元并修改單元高度

M1 走線的單元高度為 270 nm。若要將單元高度提升至 300 nm，所有圖形需在 Y 方向按 10/9 倍縮放。若對柵距進行縮放，部分層的寬度保持不變，其他層則按統一比例縮放。表 2 示例腳本將 ASAP 7.5 軌單元庫的柵距從 54 nm 拉伸至 56 nm。

表2. 柵極縮放代碼片段

柵極、M1 金屬、V1 通孔、LISD 等特定層的圖形僅做平移，保持寬度不變；N 阱、P 阱、鰭片區、有源區等其他層，則按 56/54 比例縮放。圖 3 展示了反相器單元的垂直與水平縮放效果。

圖3. 原始反相器版圖（左）、垂直縮放后單元（中）、水平縮放后單元（右）

總結

對于極致微縮的先進工藝節點，快速的 DTCO 迭代至關重要。版圖生成環節通常是流程瓶頸，因此自動化是關鍵。本文梳理了三種加速版圖設計流程的方案。值得一提的是，版圖修改自動化還有其他實用方法（本文暫不展開），例如 Cadence Virtuoso 中的 SKILL 腳本、KLayout 中的 Python API 等。