DDRPHY数字IC后端设计实现系列专题之后端设计导入，IO Ring设计

本章详细分析和论述了 LPDDR3 物理层接口模块的布图和布局规划的设计和实 现过程，包括设计环境的建立，布图规划包括模块尺寸的确定，IO 单元、宏单元以及 特殊单元的摆放。由于布图规划中的电源规划环节较为重要， 影响芯片的布线资源和 供电稳定性等，所以在本章中单独讨论。对于布局阶段， 本章主要分析了布局的主要 几个阶段以及布局的结果。

3.1 建立环境

本次后端设计布局布线工具采用 Cadence 公司的 Innovus，在使用该工具进行后 端设计之前， 后端设计者需要将网表文件、时序约束、单元库等数据信息导入到
Innovus 的 EDI 环境。将数据信息导入该环境所使用的主要命令如下： Set init_gnd_net {GND_COREDDR_VSSQ}
Set init_lef_file {all.lef ANT.lef}
Set init_mmmc_file {viewDefinition.tcl}
Set init_pwr_net {VCC_CORE VCC_PUB_SW CORE_VDD
DDR_VDDQ[0] DDR_VDDQ[1] DDR_VDDQ[2] PLL_VDD}
Set init_top_cell {top}
Set init_verilog top.v
并将这些初始信息写入到 init.global 文件中，最后，将编写的 init.globals 导入 EDI。 其中通过 init_mmmc_file 编写多模式多管角（Multi Mode Multi Corner ，MMMC）环 境，用来导入时序信息和噪声库信息，简单范例如图 3.1 所示；

图 3.1 MMMC 环境范例

3.2 布图规划设计

当设计约束文件，门级网表文件，工艺库文件，技术文件等都准备完全，并且环 境建立好之后，就可以开始进行布图规划（Floorplan）了。随着集成电路进入深亚微 米级别，合理的布图规划成为数字后端中十分关键的一步，基本占用整个后端设计中 三分之一的时间。在布图规划阶段，需要确定芯片的尺寸，摆放宏单元，I/O 单元以 及特殊单元，合理的 blockage 的创建，以及确定 pin 的位置。需要说明的是， 布图规 划要结合后面的 congestion 以及 timing violation 等来进行调整与优化，是一个不断迭 代更新与改进的过程，一个好的布图规划很大程度的影响着设计收敛的难易以及后端 设计的时间。所以后端设计人员需要考虑和分析各个角度， 投入较多精力来进行布图 规划。下面是本次设计的详细的后端布局规划内容。

3.2.1 确定 DDR block 尺寸

芯片尺寸的大小决定了流片的成本。在一个 project 中，模块的尺寸一般由顶层 与模块共同决定。本次设计先从模块出发，再根据顶层的要求，最终确定 LPDDR3 物 理层接口模块的尺寸。
Block 中各个单元的数量与面积决定了它的形状与面积，本次设计中 DDRblock 包含的单元的数目与面积如下表所示。

Innovus 中，utilization 的计算公式如下：

utilization = Sleaf cell ÷ S可用 （3-1）

其中，utilization 表示利用率，Sleaf cell 表示 leaf cell 的面积，S 可用表示可用来放置 标准单元的而面积。leaf cell 包括标准单元与硬模块（hard macro），如果硬模块的布 局状态是 fixed ，则硬模块的面积不算在 Sleaf cel 跟 S 可用 内。为了统一计算，Innovus 将 以 site 来进行计算。本次设计中，选用 9track 的物理库，site 高度为 0.9μm ，宽度 0.14μm 。在一般的布图规划时，通常将 standard cell 的初始使用率设置在 60%左右。 考虑到本次 DDR 的高频性，故将标准单元的使用率设置在 50%左右即可。另外， 为 了标准单元的放置以及绕线的方便，将该模块设计为矩形。结合顶层的要求， 最终将 LPDDR3 物理层接口模块的尺寸设计为 1700μm×4795μm。

3.2.2 放置 IO 单元与宏单元

本次设计的 IO 单元是由 synopsys 公司提供的 IP ，所以 IO 单元部分位置及相对 位置的摆放需要符合 synopsys 的 DDR PHY 后端实现规格，。 下面分析一些主要检查 内容[40]。
（1）IO 单元邻接
IO 单元间的信号线，电源地线需要通过邻接才能成功传输。
（2）I/O 的信号功率比例

该项指的是一对 VDDQ/VSSQ 插槽对可以支持的信号插槽数，即为了能够使 IO 单元得到足够的功率进行工作。在此分析中，需要考虑电压降（IR Drop），电子迁移 （electro-migration ，EM）等多种影响。本次设计中，与 Data PHY 相关的 IO 选择信 号功率之比约 2 ：1，该比率为大多数封装类型和外部存储器子系统提供了良好的电 气和时序性能。对于命令通道信号与电源的比率选择 3：1。因为数据通道的速率是字 节通道速率的 2 倍，所以命令通道有更高的信号功率比例。

（3）内部 VERF 隔离要求

pad 框架中需要内部 VERF 单元为 SSTL 输入提供比较参考，数据通道都需要一 个 PVREF 单元，每个 PVREF 单元内部可提供一个稳定的 VERF 电平值，又因为数 据字节通道和与命令字节通道的有不同的 PVREF 单元和MVREF 总线，所以需要通 过 PZQIO 单元作为两通道相关 IO 单元的边界来隔离 MVREF 总线。另外 PZQIO 单 元以 PZCTRL 的形式有自己的 VREF cell，所以将 PZQ 和 PZCTRL 单元相邻摆放并 且放在命令通道和数据字节通道之间进行隔离。PZQ 和 PZCTRL 单元切断 ZIOH 和 MVREF 总线，从而形成 3 个单独的 ZIOH / MVREF 岛。具体的摆放如图 3.2 所示：

（4）CKE 模式要求

当 DDR 处于 CKE 模式，即处于保持锁存使能状态的时候，为了节省在该模式下 的功率，关闭 DDR 接口其他信号的 VDDQ IO 电源，在后端实现中将与该模式信号 相关的 IO 单元放在一个信号孤岛（signal island）内。这时信号孤岛需要使电源总线 MVDDQ 与 VDDQ 电源隔离，并与其它掉电的 DDR 接口 IO 隔离，即在封装和 PCB 上隔离。VDDQ 隔离是通过在 CKE 信号孤岛周围使用两个 PFILL5_ISO 单元以及在 信号孤岛中两个VDDQ_ESD 单元来实现的，使用VDDQ_ESD 信号是为了实现VDDQ电源和 ESD 保护。另外在 CKE 信号孤岛中，需要 PVREF 单元来提供 IO 单元的驱动 强度，又由于 CKE 信号孤岛的 ZIOH 总线需要与其它IO 总线隔离，因此需要在 CKE 保留岛的边界上放置两个 PVSSQZB_ZQ 单元。CKE 信号孤岛的 IO 单元的摆放示意 如图 3.3 所示。

（5）VDDQ ESD 计算

IO 单元库具有两个不同的 PVDDQ 单元，PVDDQ_ESD 和 PVDDQ_CAP 。 PVDDQ_ESD 单元包含用于静电释放（Electro-Static Discharge ，ESD）保护的 ESD clamp，而 PVDDQ_CAP 没有 clamp，但在其空间内有额外的 VDDQ-VSSQ 去耦电容。
MVDDQ 网络的 ESD 要求表明，如果 clamp cell 仅在信号 IO 单元的一侧，则从 信号 IO 到 ESD clamp cell 的总线电阻必须小于 0.5 ohm；如果 clamp cell 位于信号 IO 单元的两侧，则 IO 到最近的 clamp cell 的总线电阻必须小于 1 ohm。根据 Synopsys DDR PHY 的规则，VDDQ 水平总线电阻 R_MVDDQ 为 0.04ohm。对于摆放在 IO 单 元块末端的信号 IO，到最近 clamp 的间隔= 0.5 / 0.04 = 12.5 或 12 个 IO cell 的距离。 对于摆放在 IO 单元块内部的信号 IO，到最近 clamp 的间隔= 1 / 0.04 = 25 个 cell 的距 离。

（6）PLL 供电

PLL 模块需要 VAA_PLLIO 单元供电。在本次设计中，一共使用了9 个 VAA_PLL IO 单元分别为数据字节通道和命令通道提供 PLL 电源，供电电压为 1.8v。

（7）数据字节通道 IO 单元摆放

由第二章可知，本次设计有 4 个数据字节通道，且每两个字节通道共用一个 PLL 模块。每个字节通道含有 8 位 DQ 数据信号和一个 DM 数据掩模信号，每个字节通道 的 DQS / DQS_b 信号实际上是字节通道的时钟，字节通道布局规划的目标是最大程 度地减少选通数据引脚偏移。理想情况下，应该将 DQS / DQS_b 选通信号放置在字 节通道的的中间，如图 3.4 所示：

8）地址命令字节通道的IO 摆放

CK/CK_b 信号是命令通道的时钟，地址命令字节通道的IO 摆放的目标是最大程 度地减少时钟到数据端口时钟偏斜。因此，CK/CK_b 时钟应放置在通道的中央，然后时钟对的每一侧分别放上地址和命令插槽。具体如图 3.5 所示：

9）PEND IO 单元

LPDDR3 物理层接口所需要的 SSTL IO 单元放置在连续的外围焊盘框架 （peripheral pad frame）中，并且字节通道和 AC 通道首尾相连，Pad 框的末端通过 PEND cell 结束。

10）确定宏单元的位置

每个 AC 和 DATX8 宏单元的两侧都有向 I/O 单元发送信号的引脚（包括标准引 脚和备用引脚），在设计中，使用最靠近 I/O 单元的 PHY 引脚。PLL 宏模块有两种单 元，一种单元用于管芯的南侧或北侧（PLL_NS），另一种单元用于管芯的东侧或西侧 （PLL_EW）。 PLL 始终与 AC 或 DATX8 邻接。图 3.6 显示了宏单元和不同组引脚 的位置。

PLL pllin_ *引脚是 PLL 的输入（pllin_x1 和 pllin_x4x2）时钟，并连接至内核。 PLLpllout_ *引脚是 PLL 的输出时钟（pllout_x1 和 pllout_x4x2），邻接到 AC 或 DATX8 输入（ctl_clk 和 ddr_clk）时钟。 AC 和 DATX8 上的核心引脚连接到核心 PUB 信号。 AC 和 DATX8 上的 NS I/O 引脚用于连接管芯北侧或南侧的 SDRAM 信号的 I/O。同 样，AC 和 DATX8 上的 EW I/O 引脚用于连接至芯片东侧或西侧 SDRAM 信号的 I / O。
本次设计中的 I/O 均为东西 EW 方向，所以本次宏单元摆放也选择东西方向的摆 放，如图 3.5 中左侧或右侧部分所示意。并且为了最大程度的减小 I/O 单元与宏单元 的路由距离，减少延时和串扰，必须保证同一个通道（数据字节通道和地址命令字节 通道）内的宏单元与 PHY 与IO 单元按顺序摆放。
按照以上分析的内容，并结合时序等的调整，确定了 I/O 单元与宏单元的摆放位 置如图 3.7 所示：

图 3.7 IO 与宏单元布局图

下次再继续更新DDRPHY floorplan和powerplan内容。