Standard cell/标准单元在芯片设计中的核心地位

本文介绍了Standard cell/标准单元在芯片设计中的核心地位。

标准单元在芯片设计中的核心地位

随着摩尔定律的持续推进，芯片设计对功耗（Power）-性能（Performance）-面积（Area）（PPA）的优化需求愈发严苛。

标准单元（Standard Cell）作为数字芯片设计的基础构件，其布局质量直接影响整个芯片的PPA表现。

这里指出，从平面晶体管（Planar）到FinFET，再到环栅晶体管（GAA）、互补场效应晶体管（CFET）等新型器件结构，标准单元的轨道高度（Track Height）从7.5T压缩至3T，晶体管密度持续提升，设计规则愈加复杂，给标准单元布局生成带来了前所未有的挑战。

1.标准单元设计流程

1.1从逻辑到布局

标准单元的设计流程通常包括以下几个阶段：

• 逻辑电路设计：定义单元功能（如NAND、NOR、XOR等）；

• 晶体管级网表：将逻辑功能映射为晶体管电路；

• 晶体管布局（Placement）：在满足设计规则的前提下，安排晶体管位置；

• 内部布线（Routing）：在单元内部完成晶体管之间的连接；

• 版图优化：优化面积、延迟、功耗、可布线性等指标。

在亚10nm工艺节点下，设计空间巨大，优化目标复杂，传统方法难以兼顾最优性与计算效率。

2.复杂性与最优性的博弈

2.1晶体管分区（Transistor Partitioning）

目的：缩小搜索空间，加快布局速度；

问题：可能错过全局最优解；

权衡：快速 vs 最优。

如上图示，采用基于设计层次的分区方法可快速生成布局，但可能不如穷举搜索得到的布局紧凑。

2.2Gear Ratio & Offset

引入非均匀网格（如2:3齿轮比）可增加布线资源；

不同 Gear Ratio，布局结构、引脚位置、布线通道都会发生变化。

2.3面积与引脚可接入性的权衡

增加单元面积可提升引脚接入性（如从6CPP增至10CPP）；

但会牺牲面积，需要在面积最小化与布线友好性之间找到平衡点。

3.优化新方法与新器件结构

3.1逻辑级优化

• Expand search space for optimality

• 产生多种设计可能性

同一逻辑功能可通过不同布尔表达式实现；

例如 XOR2 可表示为：

F = A·B' + A'·B

或 F = (Y + A·B)，其中 Y = (A + B)'

不同表达式对应不同晶体管拓扑结构；

通过逻辑变换可生成多种电路结构，供后续布局选择。

3.2拓扑优化：晶体管堆叠顺序与网表重构

通过调整晶体管堆叠顺序，优化 Euler path，减少布线复杂度，可移除冗余晶体管，优化内部网表结构。

例如将某些中间信号直接映射为晶体管堆叠节点，减少过孔与金属层使用。

欧拉路径(Euler path) ：通过图中所有边的简单路。(换句话说，每条边都通过且仅通过一次)

欧拉回路：闭合的欧拉路径。(即一个环，保证每条边都通过且仅通过一次)

3.3驱动能力优化

通过网表分裂（Net Splitting）技术，将大驱动单元拆分为多个小单元；

可提升电路性能（如降低延迟、提高驱动能力），同时保持面积与功耗的可控性。

3.4标准单元融合

将多个标准单元（如NAND2与NOR2）融合为一个复合单元；

可减少引脚数量、压缩单元面积，适用于引脚密度墙（Pin Density Wall）问题严重的场景；

总结

通过逻辑层、拓扑层、物理层的协同优化，可显著提升PPA；

• 结合DTCO（设计-工艺协同优化）与STCO（系统-技术协同优化）理念，未来仍有广阔提升空间；

• 新器件（如MESO、TFT）的引入，可能重新定义标准单元的设计范式。

最后：标准单元的“微观战争”

在先进工艺节点下，标准单元不再只是“积木”，而是PPA战争的微观战场。每一个晶体管的摆放、每一条金属线的走向、甚至每一个过孔的位置，都会影响最终芯片的性能与良率。未来的标准单元设计，不再是“画版图”，而是跨层次、跨器件、跨工艺的系统级优化工程。（DTCO/STCO）

Reference:

1.Standard Cell Layout Generation: Review, Challenges, and Future Works

2.IMEC