Síntese automática do leiaute de redes de transistores

Abstract

Fluxo de síntese física baseado em standard cells tem sido utilizado na indústria e academia já há um longo período de tempo. Esta técnica é conhecida por ser bastante confiável e previsível uma vez que a mesma biblioteca de células, que foi devidamente validada e caracterizada, pode ser utilizada em diferentes projetos. No entanto, há uma série de otimizações lógicas e elétricas para problemas como: redução do consumo estático, circuitos assíncronos, SEU, NBTI, DFM, etc. que demandam a existência de células inexistentes em bibliotecas tradicionais. O projeto do leiaute destas células é usualmente feito a mão, o que pode dificultar a adoção e desenvolvimento de novas técnicas. Neste trabalho foi desenvolvido uma ferramenta para síntese automática do leiaute de redes de transistores chamada ASTRAN. Esta ferramenta suporta geração de células irrestrita quanto ao tipo da rede de transistores, incluindo lógica não-complementar, auxiliando no desenvolvimento de circuitos otimizados com menor área, número de transistores, conexões, contatos e vias. Através da utilização de uma nova metodologia para compactação do leiaute com programação linear mista com inteiros (MILP), foi possível compactar eficientemente as geometrias das células simultaneamente em duas dimensões, além de lidar com regras de projeto condicionais existentes em tecnologias abaixo de 130nm. ASTRAN conseguiu obter ganhos de produtividade uma ordem de grandeza superior ao do projeto exclusivamente manual, necessitando de apenas 12h para gerar células com até 44 transistores. Na comparação com standard cells comerciais - considerado o pior caso uma vez que o ganho estaria justamente em gerar células inexistentes nestas bibliotecas ou então utilizar a ferramenta para obter um leiaute inicial antes de otimizá-lo a mão - o resultado foi bastante próximo, sendo que 71% das células geradas com o ASTRAN apresentaram exatamente a mesma área.

Cell library-based synthesis flows for ASICs is one of the most used methodologies in both industry and academia for design of VLSI. It is known to be very reliable and predictable since the same cell library can be characterised and used in several different designs. However, there is a number of logic and electric optimizations for problems like: leakage reduction, asynchronous circuits, SEU, NBTI, DFM, etc. that demands the development of new cells. These cell layouts are usually designed by hand, which can limit the adoption and development of promising techniques. This work presents the development of a tool for automatic synthesis of transistor networks called ASTRAN. It can generate cell layout with unrestricted cell structure, including non-complementary logic cells, supporting the developing of optimized circuits with smaller number of transistors, connections, contacts and vias. By using a new methodology for simultaneous two-dimensional (2D) layout compaction using mixed integer linear programming (MILP), we were able to support most of the conditional design rules that applies to technology nodes bellow 130nm, while producing as result dense cell layouts. We demonstrate that ASTRAN can generate layouts with a very smal area overhead compared to commercial standard-cells and can improve productivity in one order of magnitude when compared to the manual design of the cells. Gates containing up to 44 transistors were generated in less than 12h of run-time.