VLSI设计基础3-导线与互联问题

参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化

1. 互连参数

1. 导线材料
   金属层
   多晶硅层
   n+或p+扩散层
2. 互连参数——电容
   平板电容模型
   边缘电容模型
3. 互连参数——电阻
   方块电阻：
   
   扩展:
   芯片中的互连，一般高层的金属层一般W较大,于是电阻更小。
   即W↑→R↓→功耗P↓,RC↓
   因此高层金属层，如M4、M5,常用于时钟、电源等关键信号的
   布线中间层金属用作于信号线。

4. 互连参数——电感
   当频率上GHZ的时候，才会去考虑电感的作用。

   2. 导线模型

5. 模型
   理想导线：一般用于较大尺寸的工艺中
   集总模型
   适用情况：电阻小；开关频率中低水平
   内容：将一条导线上的电容集总成一个电容
   集总RC模型
   适用情况：电阻较大，不可忽略；开关频率中低水平
   内容：将一条导线上的电容集总成一个电容，电阻集总成一个电阻
   不足：当互连线太长时，该模型当变得保守
   

   分布RC模型（重点）

   适用情况：互连线长；导线电阻、电容不可忽略
   根据推导可知，一条导线的延时同他的长度呈现二次方关系
   和集总RC模型对比
   分布RC模型得到的延时是集总RC模型的1/2
   适用于长互连线
   
   
   
   
   传输线模型
   适用情况：高频、射频、微波；互连材料好，其导线电阻保持在一定范围内。
   内容：高频情况下，需要考虑电感的作用

   3. 总结

   

   互连问题

   寄生参数对于电路的危害：
   影响信号的完整性
   降低信号的性能
   增加延时
   增加功耗
   寄生的类型——电容、电阻、电感

   1. 电容寄生效应

   此处讨论电容寄生主要是串扰

6. 串扰的定义：
   由相邻的信号线之间不希望有的耦合引起的干扰
   小贴士：
   耦合有多种，常常是电容性的耦合
   串扰引起的噪声难以捕捉
7. 串扰的危害
   串扰将使得导线的延时难以预见，故产生了下文“可预见的导线延时设计”
8. 可预见的导线设计
   估计改进
   方法：不断参数提取，不断仿真，不断优化
   缺点：设计过程需要多次重复，时间长
   备注：最常用
   能动性的版图生成
   布线程序考虑相邻导线的作用
   缺点：主要由EDA工具完成，在如今EDA工具的要求高
   备注：有吸引力；已经有一些EDA工具具备该功能
   可预测的结构
   方法：密集型布线结构——同层信号线使用电源线隔离，相邻层采用垂直布线。
   缺点：面积和电容增加了+5%，功耗和延时增加
   优点：减小了电容串扰，延时差别也下降到不超过2%
   

9. 克服电容串扰的方法
   尽量避免浮空节点，对串扰敏感的节点，加保持器降低阻抗、
   敏感节点应当很好地与全摆幅信号隔离
   在满足时序约束的范围内尽可能加大上升（下降）时间
   在敏感的低摆幅布线网络中采用差分信号传输方法
   不要使两条信号线之间的电容太大
   在两个信号之间增加屏蔽线（即加GND或VDD​），使线间电容变成接地电容来消除串扰，但增加了电容负载
   使用屏蔽层GND或VDD

   2. 电阻寄生效应

10. 总论
    原因：芯片尺寸的减小，使得线宽减小，导线电阻增加，导线压降增加。
    常考虑：电源网络设计——导线消耗了电压，使得供给门电路的电压下降
    供给门电路的电压下降的危害
    噪声容限降低
    延时增加

11. 降低电迁移的方法
    改变金属线属性。
    ​ 如合金或者Cu代替Al导线，但是成本增加。
    降低温度。
    ​ 降低温度可以减小电迁移发射概率。
    ​ 芯片封装上面需要考虑散热问题。
    增加线宽。
    ​ 增加线宽可以降低平均电流密度。
    ​ 缺点；增加布线资源，成本增加
    ​ 优点：增加线宽不仅可以降低平均电流密度，还可以降低金属温度，间接又抑制了电迁移。

    3. 性能——长导线延时

12. 总论
    原因：根据导线模型——分布RC模型，可知$t_p \propto L^2$​。为了降低电路延时，提高电路的响应速度，需要降低导线寄生电阻。​
13. 降低长导线延时的方法
    采用更好的互连材料。
    ​ 导线：铜、合金等；绝缘材料：低介电常数的材料
    ​ ※但是，这种方法不是解决长导线延时的根本方法。
    增加互连金属层的数目
    ​ 管子数目增多驱动这金属层数目增多。
    ​ 局部线（底层金属层做信号传输）采用高密度，全局线（高层金属层走全局信号，如时钟线、电源线）
    采用更好的互连策略——对角线法
    
    采用对角线式布线（如上图），现场可较小29%，但是对于EDA工具、掩膜制作的要求高，难度大。
    ​ 目前一般采用曼哈顿式布线，即横平竖直式的布线。
    中间插入中继器——中继器
    ​ 长的互连线中插入中继器（如inv buffer），强行减小导线长度。但是中继器也存在延时。
    优化互连结构——寄存器或锁存器
    ​ 方法：导线流水线——长互连线中插入寄存器或者锁存器，将导线分成K段。
    ​ 优点：可以提高数据处理能力。每段导线中可以加入中继器进行进一步优化。