Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время современные нанометровые технологии производства БИС достигли такой степени интеграции, что минимальный размер топологи-їского объекта существенно меньше длины волны, используемой при фотоли-)графии. В частности, за последние 30 лет длина затвора МОП-транзистора ііеньшилась более чем в 250 раз: с 10 мкм в начале 70-х годов до 32 им в наши ш, а длина волны при фотолитографии — всего примерно в 10 раз: с 2 мкм і 193 нм. Как следствие этого к известным технологическим ограничениям на шшмальное расстояние и размер объектов топологии добавились новые более южные правила, зависящие, например, от конфигурации объектов, геометри-эских размеров, взаимного расположения объектов топологии и особенностей эоцесса производства. Кроме того, для создания объектов меньших, чем длина хины, используемой при фотолитографии, применяются специальные приёмы, ізволяющие улучшить разрешающую способность технологического оборудо-шия, например, засветка противоположными фазами с разных сторон провод-ака или оптическая коррекция близости, порождающих ряд правил, гаранти-ующих отсутствие конфликтов [1].
С другой стороны, известно, что с уменьшением геометрических размеров іанзисторов снижается площадь кристалла, уменьшаются паразитные ёмко-си, улучшается быстродействие и снижается энергопотребление СБИС. Тем не енее это влечёт за собой экспоненциальный рост статических токов утечки на цшицу площади (рис. 1). Например, на подпороговые токи утечки приходится г) 50% от общего объема энергии для портативных приложений, разработанных пя 65 нм технологии [2].
Дальнейшее развитие технологии, уменьшение размеров транзистора и хтщины подзатворного оксида приведёт к значительному росту туннельного эка, что ещё больше усугубит проблему утечки. Уменьшение размеров также
Технология (ни)
Рис. 1. Графики соотношения видов энергопотребления в СБИС по технологиям
привело к тому, что проводники стали вносить существенный вклад в задеря ку распространения сигнала даже в топологии библиотечного элемента — стаї дартной ячейки. Следовательно, необходимо учитывать данные проблемы пр разработке топологии ячеек. Особенно сильно на задержку распространен!! сигнала и на статический ток утечки в стандартной ячейке влияет расстояни между затворами транзисторов, так как диффузионная область имеет значі тельное сопротивление и ёмкость по сравнению с металлами. Технологически ограничения таких видов делают процесс разработки современных топологи более трудоёмким, чем раньше.
Другой не менее важной проблемой является задача повышения уровн выхода годных (УВГ, yield). УВГ зависит как от случайных технологически ошибок, возникающих во время процесса производства (random catast.rophi errors), так и от параметрических проблем производства для данного типа пр< цесса (parametric errors). Параметрические проблемы хорошо моделируются ст; тистическими методами используемыми в процессе производства, что позволяе учитывать результаты работы этих методов в процессе производства, а в пі следнее время даже использовать их в маршруте проектирования СБИС. Те: нологические же ошибки трудно моделировать статистическими методами из-з частых и существенных изменений в процессах и, следовательно, в статистике.
Наряду с перечисленными проблемами происходит быстрая смена технології. Каждый год появляется новый технологический процесс производства, эторый в первую очередь требует разработки новой библиотеки элементов, ля каждого процесса создаются семейства библиотек: стандартного быстро-яйствия, энергосберегающая, быстрая и другие. Как правило, разработка биб-иотеки производится в сжатые сроки и часто параллельно с, доводкой процесса роизводства, т.е. приходится учитывать конкретные, не прогнозируемые осо-жности производства и т.д.
Если раньше вариация порогового напряжения позволяла манинулиро-ать характеристиками ячеек, то в нанометровых нормах проектирования из-i особенностей технологии производства и сложности правил проектирования, ля изменения характеристик библиотечных элементов необходимо изменение юметрической конфигурации базовых топологических примитивов.
Таким образом, ряд технологических ограничений и сжатые сроки проек-ирования обуславливают необходимость использования сложных систем авто-атизированного проектирования и разработки (САПР) при создании тополо-іш библиотечных элементов(стандартных ячеек). Параллельное формирование иблиотеки и технологий требует коррекции уже разработанных ячеек после аждого изменения технологических норм. Разработка эффективных методов птимизации ячеек в маршруте проектирования СБИС по критериям УВГ, энергопотреблению, площади и задержкам является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы состоит в разработке эффективных етодов и алгоритмов многокритериальной оптимизации стандартных ячеек с чётом требований современных нанометровых технологий производства, и ре-лизации их в составе программного комплекса посттопологической оптимиза-ии.
Задачи, которые необходимо решить для достижения цели:
1. разработка методики многокритериальной оптимизации библиотек стан-
дартных ячеек с учётом требований современных процессов производств СБИС по статическому энергопотреблению, уровню выхода годных и з; держкам;
разработка эффективного алгоритма многокритериальной оптимизаци библиотечного элемента для одновременного улучшения быотродействш токов утечки, выхода годных при ограничениях на площадь для наноме: ровых процессов производства СБИС;
разработка маршрута проектирования нанометровых СБИС на основе мі тодики многокритериальной оптимизации библиотечных элементов с учі том технологических требований современного производства;
разработка программного обеспечения оптимизации на основе предложи] ных алгоритмов, создание инструментальной среды, исследование эффе] тивности предложенных алгоритмов, проведение сравнений результато оптимизации с существующими методами.
Объектом исследования является топология библиотечных элементо]
Предметом исследования является оптимизация характеристик би лиотечных элементов.
Методы исследования базируются на фундаментальных положения теории оптимизации, эволюционных алгоритмах, принципах проектировани топологии интегральных схем и правилах построения программного обеспеч ния. Также при выполнении диссертационной работы использовался аппара системного анализа, теории алгоритмов, исследования операций.
Научная новизна результатов, предложенных в диссертационной раб те, заключается в следующем:
предложена методика многокритериальной оптимизации библиотечных э. ментов с учётом требований современных требований процессов произво,
ства СБИС по статическому энергопотреблению, уровню выхода годных и задержкам;
разработан алгоритм многокритериальной оптимизации библиотечного элемента обеспечивающий возможность выбора приоритетов между критериями статическое энергопотребление, выход годных и задержка, отличающийся от известных алгоритмов использованием ЛПТ - последовательностей в поиске Парето-оптимальных решений учитывающий технологические ограничения нанометрового производства;
разработан гибридный эволюционный алгоритм многокритериальной оптимизации стандартной ячейки, отличающийся от известных алгоритмов применением локального поиска при отсутствии Парето-оптимальных решений, уменьшающий размерность пространства поиска, учитывающий современные технологические ограничения и обеспечивающий возможность выбора между приоритетами критерий статическое энергопотребление, выход годных и задержка;
предложен маршрут проектирования нанометровьгх СБИС, отличающийся от известных использованием методики многокритериальной оптимизации в посттопологическом шаге обработки топологии с учётом требований нанометровьгх норм производства.
Обоснованность и достоверность научных положений, представленных в диссертационной работе, обеспечиваются анализом состояния исследований по теме работы, подтверждаются согласованностью теоретических результатов с результатами численных экспериментов, а также апробацией на конференциях и в реализованных проектах.
Практическая значимость. На основе разработанных в диссертационном исследовании методов и алгоритмов создана программная система, которая была использована в ряде научно-исследовательских и коммерческих проектах
в Институте точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН, а именно:
в НИР «Ардон» — разработка системы генерации и оптимизации стандарт ных библиотек;
в ОКР «Компилятор» — разработка системы компиляторов памяти;
в проектах по оптимизации промышленных библиотек для «НИИМЭ и Микрон»;
в проектах по оптимизации промышленных библиотек для Tower Semicon dnctor.
На защиту выносятся следующие основные результаты и поло же ния:
методика многокритериальной оптимизации библиотек стандартных ячеек с учётом требований современных процессов производства СБИС;
алгоритм многокритериальной оптимизации стандартной ячейки, отличающийся от известных алгоритмов использованием ЛПТ - последователь постен в поиске Парето-оптимальных решений и учитывающий технологические ограничения нанометрового производства;
новый гибридный эволюционный алгоритм многокритериальной оптимизации для стандартной ячейки, отличающийся от известных алгоритмов применением взаимодействующих глобального эволюционного и локального поисков при отсутствии Парето-оптимальных решений и учитывающий технологические ограничения нанометрового производства;
маршрут проектирования нанометровых СБИС, отличающийся от известных использованием методики многокритериальной оптимизации в пред-производственном шаге обработки топологии с учётом требований нанометровых норм производства.
Апробация работы. Результаты неоднократно докладывались на на-чных конференциях и семинарах, в частности:
на выставке «Салон инноваций и инвестиций — 2008» (отмечен почётным дипломом);
на 51-й Научной конференции МФТИ, 2008;
на форуме «Новая электроника России», 2008.
на семинарах по автоматизации физического проектирования в компании Mentor Graphics, 2008;
на семинарах факультета ВМнК МГУ, 2008-2009;
на семинарах ИТМиВТ, 2006-2008;
на семинарах в компании Celltroy Technologies, 2007-2008;
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в работах [Al, А2, A3, А4, А5, Аб], из них в изданиях, рекомендованных в Перечне ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации — две работы [Al, А2].
Личный вклад автора заключается:
в полной разработке практических и теоретических основ метода комбинирования многокритериальной оптимизации на основе эволюционного алгоритма с локальным поиском;
в участии в разработке метода комбинированного поиска;
в постановке обобщённой задачи посттопологической оптимизации;
в руководстве и разработке программных модулей системы Cell Compiler для оптимизации и генерации стандартных ячеек;
в программной реализации параллельной модификации предложенного алгоритма.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 176 страниц текста, содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы из 95 наименований, приложение, 51 рисунок и 5 таблиц.
