DDRPHY数字IC后端设计实现系列专题之数字后端floorplanpowerplan设计

3.2.3 特殊单元的布局

布图阶段除了布置 I/O 单元和宏单元，在 28nm 制程工艺时，还需要处理两种特 殊的物理单元，Endcap 和 Tapcell。

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

（1）拐角单元
Endcap cell 俗称拐角单元，它的作用是确保 N 阱nwell关闭。主要加在 row 的结尾， 以及 hard macro 的周边，确保阱电位一致。添加 endcap cell 脚本命令如下：

addEndCap -powerDomain powerDomain_name

（2）tapcell 单元

在进入先进工艺后，标准单元的版图没有设计阱接触孔和衬底接触孔，而是将 两个孔做成单元 tapcell，以节省面积。如果不加，则可能会引起闩锁效应。需要注意 的是，我们在添加两种 cell 的时候，必须按照先添加 macro 左右两侧的 endcap，再添 加 tapcell，最后添加 macro 上下侧的 endcap 。否则，可能会导致 DRC 的错误。本次 设计中在布局阶段每隔 57.54，并隔行错开的方式添加 tapcell。添加 tapcell 的脚本命令如下：

addWellTap -cell TAP4CCHM -cell Interval 115.08 -prefix WELLTAP -checkerBoard -powerDomain powerDomain_name

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（3）MGFILLER

MGFiller 是一种尺寸较大的填充单元，常在拐角单元和 tapcell 单元加入后进行 进行等比例预先添加。在芯片测试阶段，如果因为功能问题进行 ECO（Engneering Change Order 工程改变计划）[41] ，则可以利用到 MGFiller 单元，只改变 metal1 而改 变单元的功能，这样见啥了底层光照，降低了芯片修改成本。本设计采用每 4 行，隔 105μm 加入 MGFiller，命令可以采用加 well-tap 的方式如下：
addWellTap -cell MGFILL -cell Interval 105 -skipRow 4 -startRowNum 2 -prefix MGFILL -powerDomain powerDomain_name

（4）电源开关单元

电源开关单元 PowerSwich 可开关电源网络，在低功耗设计中常使用。电源开关 单元中一个输入和输出供电网络，并且至少有一个信号控制开关，通过信号控制开关 的状态控制整个设计中各个电压域的开关。本次设计在 PD_PUB 电压域中间位置添 加电源开关单元，保证该电压域的开启和关断。

（5）隔离单元

隔离单元 Isolation cell 主要是低功耗设计使用。隔离单元的作用是，在逻辑信号 跨电压域传输，进行电源关断时，隔离单元生成一个己知逻辑，在上电和掉电的过程 中进行电平逻辑转换和隔离。

隔离单元有一个控制端口 EN，当 EN 端口的输入无效时，隔离单元可以等效为 一个缓冲单元，输出 Y 端直接接受输入 A 端的信号，当 EN 端输入有效时，缓冲单 元将断开，输出端 Y 将保持高电平或者低电平。上图所示的隔离单元有两组电源， 主 要电源 VDD 和备用电源 VDDB，当主要电源关断时，就要使用备用电源 VDDB 进行 供电，来维持输出端的固定电平。根据 CPF 文件对隔离单元的设置，一共四种隔离 单元，如表 3.2 所示：

本次设计隔离单元的放置方式为：将隔离单元均放置在输入端所在电压域，并有 顶层电源线作为备用电源供电，保证主要电源关断时，输出端电平维持正确，并由工 具自动布局完成布置。

3.3 电源规划设计

Powerplan 即是电源规划，一般情况下 powerplan 是布局规划的的最后一个阶段。

Powerplan 主要包括划分电压域，确认电源线的金属层，电源环线的规划，电源条线 的规划以及打电源孔等内容。

在该阶段主要需要考虑的因素是电压降（IR Drop）与电子迁移（EM）。电压降指 的是芯片中电源电压下降或地电压上升的情况，包括静态 IR_Drop 与动态 IR_Drop。 如果出现较大的电压降，则可能导致芯片失效。电子迁移指的是电子在金属线中流动 时，，原子因为电子的碰撞可能会随电子的方向移动导致金属线断裂，或停留在某处 引起金属线短路，从而导致逻辑功能错误。

所以需要在项目的前期做一个高质量的电源规划，来避免在项目后期出现比较棘 手的电压降问题以及电子迁移问题。良好的电源规划需要合理的电源网络结构， 层间 关系以及金属线宽度间隔，金属空大小等。接下来的章节将具体讨论 powerplan 的设 计内容

3.3.1 多电压域的 CPF 文件

CPF 是 Cadence 开发的通用功耗格式文件（common power format，CPF），Innovus 通过 CPF 文件为多电源电压域的低功耗设计指定供电系统。CPF 对电源设计提供了 具体实现方法，但没有具体说明这些电源的物理实现。通过 CPF 文件中的命令，设 计者能进行电源域划分，为不同电源域定义和建立电源网络以及进行相应的低功耗设 计等。与 RTL 描述普通信号连接不同，CPF 文件是电源信号连接信息的描述。CPF 文 件中的内容包括：电压域，电源网线和端口，电源开关单元（Power switch）、隔离单 元（isolation cell）等特殊单元等。

3.3.2 电压域划分

由 CPF 文件可 知 ，本 次 设计 的模块 中划 分 了 2 个 电压域 PD_PUB 和 PD_PUB_VDD0PP9 ，PD_PUB_VDD0P9 电压域包括 PLL 模块，IO 单元及 PUB ， Address/Command PHY（AC），Data PHY（DATX8），PD_PUB 电压域主要包括缓存 控制单元相关功能逻辑单元。使用命令 read_power_intent pub_sys_top.cpf -cpf 与 commit_power_intent 将 CPF 文件信息及 PowerDomain 导入进 Innovus 中。

3.3.3 多电源电压的总体设计

本次设计的封装方式采用的是倒装技术（FlipChip），所以电源信号通过 Bump 流 入到芯片中。本次设计的电源电压规划如图3.8 所示：

由图 3.8 并结合 CPF 文件，本次设计主要有四组电源线进行供电，如表 3.3 所示：

VCC_TOP 电源通过电源开关单元控制 VCC_PUB_SW 电源的电压以开启或关断 电压域 PD_PUB，电压域 PD_PUB 关断后，添加在该电压域周围的隔离单元将保持 断电前的逻辑，与电压域 PD_PUB_VCC0P9 进行正确交互。

3.3.4 电源条线的设计

整个芯片的电源网络由电源环线（Power Ring），电源条线（Power stripe）和供电 I/O 构成。本次设计为整个芯片上的 DDR 物理层接口模块，所以其供电网络主要为 供电 I/O 和电源条线。电源条线是芯片内部的电源网络， 在本次设计中电源条线连接了模块内内所有逻辑单元的电源引脚，以及相关供电 I/O。为了建立稳定且均匀的电 源网络，需要考虑电压降和电子迁移的问题。电源条线一般有横向和纵向两种类型。 本设计采用 VHV 的方式进行电源条线的布置，即偶数层为横向布线，奇数层位纵向 布线。电源条线的类型选择应该符合工艺厂制定的规则， 否则将容易导致绕线资源不 足，从而引起拥塞。本次设计采用的是 1P8M11006+RDL28KA 工艺进行绕线，在此 工艺下一共有九层金属，其中低 6 层为细金属层，七层和八层是厚金属层，最高层 RDL 为铝层。第 1 ，3 ，5 ，7 层为纵向走线，2 ，4 ，6 ，8 层为水平走线层。在本芯片 设计中，第一层金属，厚金属层和 RDL 层作为电源专用层，只用来进行电源线绕线， 第一层金属只用做标准单元的电源条线，其余金属层为信号线绕线层。

为了提高电源信号的稳定，2 ，5 ，6 金属层也被用来进行电源条线绕线，其中只 有电源开关单元在第二层进行电源条线绕线。电源条线如此规划的优势：

（1）高层金属线宽，电阻小，有利于减小电压降，利用高层金属绕线则增加了 了底层细金属的绕线资源，提高底层金属利用率[26]。

（2）本次设计中的 PLL、DATX8 和 AC 宏单元自身的电源线使用用第 5 层，所 以本次设计中，这三种模块的上方不使用第 5 层金属绕线，避免产生短路。在这三个 模块上方，直接使用第 6 层金属线打孔，将其电源交错连接值顶层金属，完成了其电 源绕线。标准单元的自身电源线使用第一层金属，标准单元的配置是由 row 约束， row 是布图中横向排列的网格，相邻的 row 方向相反，标准单元在布置时，会紧紧摆 放到 row 上，在第一层金属电源规划中，将在 row 上配置电源线 follow pin 并且 GND 和 VDD 交错配置。这样就完成了标准单元的供电网络，并实现了电源网络均匀分布。

经过上面的分析，已经大致介绍了宏单元和标准单元的供电网络，下面以一个 IO 单元为例，介绍 IO 模块的供电网络。

由图 3.9 可知，该 IO 模块自身电源线（metal 8）一共包括 3 种电源线，MVAA_PLL-
-用来接受模拟电压 PLL_VDD，MVDD–用来接受核心电压 CORE_VDD，MVDDQ–用来接受 DDR 电压 DDR_VDDQ。根据 IO 模块自身的分布，完成第 8 层金属的电源 规划，将 IO 单元接入至供电单元。

电源条线的宽度，间距由工艺厂提供的 lef 文件，布线资源，电压降情况决定。 经过不断调整和综合考虑，定下电源条线参数如表 3.4 所示。最终，利用 Innovus 工 具添加 Bump 以及手动规划 RDL 铝层，完成整个供电网络。

由图 3.10 可知，Data phy 内部顶层使用 metal5，且为横向，所以通过 metal7 的 电源线与 metal5 直接相连进行供电。图 3.11 为本次电源网络方案的最终设计图。

在布图规划阶段，完成了芯片尺寸的确定，I/O 单元，宏单元和特殊单元的布局， 并完成电源网络的规划。到目前为止，芯片的数字后端版图已基本完成。