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Verfahren
zur Herstellung einer Standardzellenanordnung und eine Vorrichtung
zur Durchführung des
Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer Standardzellenanordnung nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung
zur Durchführung des
Verfahrens nach Anspruch 3.
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Für eine Beschleunigung
beim Entwurf eines Halbleiterchips werden Standardzellen verwendet. Standardzellen
sind beispielsweise Gatter, Schieberegister oder andere digitale
oder analoge Bausteine, die aus einzelnen integrierten Bauelementen,
wie Transistoren, Dioden oder Widerständen gebildet werden und in
der Regel eine oder mehrere standardisierte Funktionen zur Verfügung stellen.
Neben Standardzellen sind auf den Halbleiterchips üblicherweise
noch andere Elemente angeordnet.
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Die
Standardzellen werden gewöhnlich
in mehreren zueinander benachbarten Reihen angeordnet. Die Standardzellen
einer Reihe werden mittels entlang der Reihe angeordneten Bahnen
mit Strom versorgt. Die zugehörigen
Stromversorgungsbahnen jeder Reihe sind miteinander und weiteren Elementen
oder Anschlüssen
des Halbleiterchips verbunden.
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Zudem
sind üblicherweise
weitere Bahnen insbesondere zur Übertragung
von analogen oder digitalen Signalen zwischen den Standardzellen
oder zu Anschlüssen
des Halbleiterchips vorgesehen. Die Bahnen sind in einer oder in
der Regel in mehreren sogenannten Metallisierungsebenen angeordnet.
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Um
die Bahnen optimal anzuordnen, wird ein sogenanntes Routerprogramm
verwendet, das die Eingänge
und Ausgänge
der Standardzellen untereinander und mit Anschlüssen des Halbleiterchips verbindet.
Anschließend
wird die jeweilige Position beziehungsweise der Verlauf der einzelnen
Bahnen entflochten, um eine möglichst
dichte Anordnung der Standardzellen, beziehungsweise der Bahnen
und eine möglichst
kurze Signalverzögerung
zu ermöglichen.
Neben dieser bekannten Anordnung von Standardzellen und deren Verdrahtung
sind selbstverständlich
weitere Anordnungsvorschriften, beispielsweise eine vertikale oder
funktionsbezogene Anordnung, beispielsweise zur Trennung eines digitalen und
eines analogen Bereiches eines ASICs oder dergleichen denkbar.
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Aus
der Herstellung von ASIC-Halbleiterbauelementen (ASIC: Application
Specific Integrated Circuit) sind Place & Route-Verfahren bekannt, mit denen Standardzellen
platziert und verdrahtet werden können.
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Bei
typischen ASICs steht eine im Vergleich zum Speicher-Entwurf (z.B. DRAM)
hohe Anzahl von Metallebenen zur Verdrahtung zur Verfügung, so dass
die Standardzellen bei ASICs sehr dicht platziert werden können; die
Verdrahtung der Zellen untereinander ist unproblematisch.
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Die
Verwendung von Standardzellen kann insbesondere bei Speicherbauelementen
problematisch sein, da weniger Metallebenen zur Verfügung stehen
und somit eine wesentlich geringere Dichte der Standardzellen erreicht
werden kann. Es entsteht die Notwendigkeit von Verdrahtungskanälen quer
zur Richtung der Standardzellenreihen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Standardzellenanordnung
mit einer guten Platzausnutzung für Verdrahtungen zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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In
einem ersten Verfahrensschritt wird in mindestens einer Standardzellenreihe
der Abstand xist zwischen mindestens zwei
Standardzellen automatisch ermittelt.
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In
einem zweiten Verfahrensschritt wird automatisch ermittelt, ob mindestens
einer der Abstände xist einen vorbestimmten Mindestabstand xsoll unterschreitet.
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Wird
der Mindestabstand xsoll unterschritten, wird
in einem dritten Verfahrensschritt die Breite von mindestens einer
Standardzelle in der Standardzellenreihe in einem virtuellen Layout
von Standardzellen in einer vorgegebenen Weise verbreitert, und
die mindestens eine verbreiterte Standardzelle wird automatisch
im virtuellen Layout mit anderen Standardzellen platziert.
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Im
vierten Verfahrenschritt wird die Platzierung der verbreiterten
Standardzellen im virtuellen Layout in das reale Layout der Standardzellen übernommen,
wobei die Standardzellen zur Schaffung größerer Abstände zwischen den Standardzellen
im realen Layout wieder mit der ursprünglich vorgesehenen Breite
versehen werden.
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Damit
ist eine lokale Auflockerung der Platzierung möglich, was zu einer verbesserten
Anschließbarkeit
der Standardzellen führt.
Ein manuelles Verschieben der Zellen ist nicht notwendig.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn die Verbreiterung mindestens einer Standardzelle
im virtuellen Layout um ein ganzzahliges Vielfaches einer vorgegeben
Gridweite erfolgt.
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Die
Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
3 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist folgende Mittel auf:
- a) Ein Mittel zur
automatischen Ermittlung des Abstandes xist zwischen
mindestens zwei Standardzellen.
- b) Ein Vergleichsmittel zur automatischen Ermittlung, ob einer
der Abstände
xist einen vorbestimmten Mindestabstand
xsoll unterschreitet.
- c) Ein Modifikationsmittel, das bei Unterschreiten des Mindestabstandes
xsoll die Breite von mindestens einer Standardzelle
in der Standardzellenreihe in einem virtuellen Layout von Standardzellen in
einer vorgegebenen Weise verbreitert, und die mindestens eine verbreiterte
Standardzelle wird automatisch im virtuellen Layout mit anderen Standardzellen
platziert.
- d) Ein Platzierungssmittel für
die verbreiterten Standardzellen im virtuellen Layout in das reale Layout
der Standardzellen, wobei die Standardzellen zur Schaffung größerer Abstände zwischen den
Standardzellen im realen Layout wieder mit der vorgesehenen Breite
versehen werden.
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Diese
Mittel können
als Software auf einem Rechner oder als Hardwarekomponenten implementiert
sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der
Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Darstellung von vier Gruppen horizontaler Standardzellenreihen in
16 Zeilen mit Verdrahtungskanälen
bei einem Speicherbaustein;
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2A – B Vergleich
von Standardzellenanordnungen bei ASICs und Speicherschaltungen;
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3 Programmablaufplan
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 Darstellung
eines ersten Verfahrenschrittes anhand von vier Standardzellen;
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5A – B Darstellung
eines dritten Verfahrensschrittes anhand der Verbreiterung einer
Standardzelle.
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In 1 sind
zur Illustration des technischen Hintergrundes 101, 102, 103, 104 Standardzellenreihen
mit dazwischen liegenden vertikalen Verdrahtungskanälen 201, 202, 203 dargestellt.
Die Verdrahtungskanäle 201, 202, 203 trennen
die Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 in
einzelne Standardzellengruppen; hier vier Standardzellengruppen 10, 11, 12, 13 mit
je 16 Zeilen.
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Die
Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 sind
dabei jeweils aus an sich bekannten, hier nicht dargestellten Standardzellen
(z.B. Logikgatter, Flip-Flops, Latches) zusammengesetzt.
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Die
Länge der
Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 und
die Breite der dazwischen liegenden vertikalen Verdrahtungskanäle 201, 202, 203 wird
durch zwei gegensätzliche
Faktoren bestimmt: Die Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 sollen so
lang wie möglich
sein, um den Flächenbedarf
der Schaltung zu verkleinern. Je länger die Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 ohne
Unterbrechung sind und je enger die vertikalen Verdrahtungskanäle 201, 202, 203 sind,
desto weniger Platz wird benötigt.
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Dem
steht entgegen, dass die Verdrahtbarkeit der Schaltung immer schwieriger
wird, je länger die
Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 sind. Bei
zu langen Reihen können
Pins, die in der Regel innerhalb einer Standardzellenreihe 101, 102, 103, 104 liegen
nicht mehr angeschlossen werden.
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Um
die Fläche
der Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 (und
damit der Schaltung) weiter optimieren zu können, will man auch die in 1 nicht
dargestellten Spannungsversorgungsbahnen, die alle Standardzellen
in einer Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 mit
Spannung und Masse versorgen, mit möglichst geringer Breite ausstatten.
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Diesem
Ziel laufen zwei physikalische Effekte entgegen: Je schmaler die
Spannungsversorgungsbahnen sind, desto größer ist der Spannungsabfall über die
Spannungsversorgungsbahnen und desto schlechter wird die Versorgung
der Standardzellen, die weit von den Spannungsanschlüssen angeordnet
sind.
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Je
schmaler die Spannungsversorgungsbahnen sind, desto höher ist
auch die Gefahr von "Electromigration" (Aufbrechen der
Leitung durch Materialwanderung unter Dauerbelastung).
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In
den 2A und 2B werden
die Unterschiede der Standardzellenanordnung bei ASICs und bei Speicherbauelementen
beschrieben.
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In 2A ist
die Anordnung bei einem ASIC, in 2B bei
einem Speicherbauelement dargestellt. Dabei ist jeweils ein Block
von Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 dargestellt,
in dem Spannungsversorgungsbahnen 1 dazu dienen, die in
den Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 angeordneten
Standardzellen (hier nicht dargestellt) mit Spannung zu versorgen.
In beiden Fällen
liegen in einer anderen Ebene (senkrecht zur Zeichnungsebene) Metallbahnen 2.
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Zunächst wird
auf die Anordnung bei ASICs eingegangen.
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Beim
ASICs stehen mehrere gleichwertige Metallebenen zur Verdrahtung
zur Verfügung.
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Dadurch
können
die Standardzellengruppen 10 meist ohne Abstand aneinander
gesetzt werden; vertikale Verdrahtungskanäle sind nicht erforderlich.
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Außerdem kann
bei Verwendung einer ASIC-Technologie die Spannungsversorgung der Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 in
festen Abständen
durch Metallbahnen 2 auf höheren Metallebenen, die netzartig
angeordnet sein können,
verstärkt
werden.
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Bei
einer ASIC-Technologie werden die Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 über die
gesamte Breite des Blocks ohne Abstand aneinandergereiht; die horizontalen
Spannungsversorgungsbahnen 1 werden in regelmäßigen Abständen an
vertikal verlaufenden Metallbahnen 2 angeschlossen, so dass
eine gute Kontrolle über
die erforderliche Breite der Leitungen besteht. Weitere Versorgungsleitungen
in höheren
Metallebenen können
bei Bedarf ergänzt
werden.
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In 2B ist
die Anordnung der Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 beim
Design von Speicherbauelementen dargestellt. Beim Speicherdesign
ist eine Gruppe von Standardzellenreihen 101, 102, 103, 104 (in
der Fig. rechts) durch einen vertikalen Abstand von einer anderen
Standardzellengruppe mit den Standardzellenreihen 101a, 102a, 103a, 104a getrennt
und auch horizontal durch Verdrahtungskanäle unterbrochen; die vertikalen
Metallbahnen 2, die nur in bestimmten designabhängigen, und
daher unregelmäßigen Abständen zur
Verfügung stehen,
werden jeweils einmal (oder mehrfach) pro Standardzellenreihe an
die horizontalen Leitungen angeschlossen. Je nach Vorgaben und Verfügbarkeit der
vertikalen Metallbahnen 2 ist daher eine erste Standardzellengruppe 10a (in 3a links) kürzer als eine zweite Standardzellengruppe l0b (in 3b). Weitere Versorgungsleitungen auf
höheren Metallebenen
stehen beim Speicherdesign nicht zur Verfügung.
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In 3 ist
ein Programmablaufplan für
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
angegeben. Einzelne Verfahrensschritte werden dann in Zusammenhang
mit den 4 und 5 näher erläutert.
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Ausgangspunkt
für das
Verfahren ist eine Situation, wie in 4 dargestellt.
Dabei ist eine Standardzellenreihe 101 mit schematisch
dargestellten Standardzellen 51, 52, 53, 54 wiedergegeben.
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Bei
der physikalischen Verbindung (routen) der Standardzellen 51, 52, 53, 54 mit
Metallbahnen (in 3 nicht dargestellt) können Probleme
auftreten, wenn der Platz zwischen den Standardzellen 51, 52, 53, 53 nicht
ausreicht. Der Router muss längere Wege
zurücklegen,
was den Platz für
Verbindungen weiter reduziert. Durch ein zu enges Legen von Verbindungen
entstehen Abstandsfehler und ggf. Kurzschlüsse. Auch ist es möglich, dass
einige Verbindungen überhaupt
nicht geroutet werden (sogenannte unconnects).
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Eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sorgt dafür,
dass der Abstand zwischen Standardzellen 51, 52, 53, 54 automatisch
so eingestellt wird, dass sich eine Verdrahtung gut herstellen lässt.
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Zunächst werden
in einem ersten Verfahrensschritt 1001 (siehe 3)
die Abstände
zwischen mindestens zwei Standardzellen 51, 52, 53, 54 automatisch
ermittelt. Dies erfolgt mit einem Mittel, das hier Teil eines Softwarepakets
ist. Dazu können z.B.
Dateien ausgewertet werden, in denen Koordinaten, Gridweiten oder
andere Parameter der Standardzellen 51, 52, 53, 54 gespeichert
sind.
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Anschließend wird
im nächsten
Verfahrensschritt 1002 ein Vergleich durchgeführt, ob
mindestens ein Abstand xist zwischen Standardzellen 51, 52, 53, 54 einen
bestimmten vorbestimmten Abstand xsoll unterschreitet.
Dies wird mit einem Software-Vergleichsmittel ausgeführt.
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In 4 ist
an einer Stelle der Abstand Xist zwischen
zwei Standardzellen 52, 53 kleiner als der vorgegebene
Wert Xsoll. Dieser Abstand Xist ist
für eine
Verdrahtung zu klein.
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Wenn
alle Abstände
Xist größer als
xsoll sind, dann kann mit dem Entwurf fortgefahren
werden (Verfahrensschritt 1005).
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Wenn
mindestens ein Abstand Xist kleiner ist als
Xsoll, führt
das erfindungsgemäße Verfahren
eine Verschiebung der Standardzellen 51, 52, 53, 54 aus, so
dass am Ende jeweils mindestens der Mindestabstand Xsoll eingehalten
wird.
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Dazu
wird zunächst
der Rand 50 jeder Standardzelle 51, 52, 52, 54 in
einem virtuellen Layout durch ein Modifikationsmittel vergrößert (Dritter
Verfahrensschritt 1003).
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Dies
wird in der 5A und 5B beschrieben.
In 5A und 5B ist
jeweils eine einzelne Standardzelle 5 mit internen Verbindungen 6, 7 in
unterschiedlichen Ebenen dargestellt. Quer zu der im Wesentlichen
vertikalen Erstreckung der Standardzelle 5 liegen die Spannungsversorgungsbahnen 1.
Diese Standardzelle 5 ist ein Teil einer Standardzellenreihe 101,
wie sie z.B. in 2A dargestellt ist.
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Die
Standardzelle 5 in 5A weist
einen Rand 50 auf, der mittels der verwendeten Software den
Platzbedarf in einer Standardzellenreihe 101 festlegt.
In 5B ist der Rand 50' durch ein erfindungsgemäßes Rechenmittel
vergrößert worden,
so dass die virtuelle Standardzelle 50' mehr Platz benötigt. Diese so modifizierte
Standardzelle 50' wird
nicht in einem Layout umgesetzt, sondern rein rechnerisch verbreitert,
d.h. in einem virtuellen Layout der Standardzellen. Im dritten Verfahrensschritt 1003 (siehe 3)
werden dann die verbreiterten Standardzellen 50' (ggf. mit nicht
verbreiterten Standardzellen) mit den üblichen Platzierungsroutinen
im virtuellen Layout platziert.
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Dabei
kann es zu Überlappungen
benachbarter Standardzellen 51, 52, 53, 54 kommen.
Diese lassen sich aber durch die üblichen Platzierungsroutinen
beseitigen, indem die Standardzellen 51, 52, 53, 54 entlang
der Standardzellenreihe 101 verschoben werden, allerdings
nur im virtuellen Layout.
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Dabei
müssen
nicht alle Standardzellen 5, 51, 52, 53, 54 virtuell
verbreitert werden. Es ist durchaus möglich, nur einzelne Standardzellen 5, 51, 52, 53, 54 gezielt
zu verbreitern.
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Im
vierten Verfahrensschritt 1004 (siehe 3)
wird dann mittels eines Platzierungsmittels im virtuellen Layout
die Breite der Standardzellen 51, 52, 53, 54 auf
die Originalbreite reduziert, so dass die Abstände x'ist im virtuellen
Layout nun ausreichend groß sind.
Dieses Layout wird nun auf das reale Layout übertragen, so dass eine Platzierung
von Standardzelle 51, 52, 53, 54 mit
Abständen
erfolgt, die mindestens den Abstand xsoll aufweisen.
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Das
Layout (das Innenleben, sowie die Groesse in x und y Richtung (bbox))
einer Standardzelle ist in einem standardisierten File, dem sogenannten lef
(library exchange format) beschrieben. In diesem File sind alle
Zellen einer Standardzellen-Bibliothek beschrieben.
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Standardzellen
werden in einem bestimmten Raster (grid), welches technologieabhängig ist,
entworfen. Dieses Raster wird ebenfalls so entworfen, dass in der
jeweiligen Technologie der Router optimale Voraussetzungen zum Routen
vorfindet.
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Sollen
nun die Standardzellen 5, 51, 52, 53, 54 vergrößert werden,
so kann das im definierten Raster erfolgen. Welche Zellen um welche
Anzahl von Rasterpunkten vergrößert werden,
kann mit einer einfachen Liste – mit
dem jeweiligen Zellnamen und einer maximal zulässigen Anzahl von Rastern definiert
werden.
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Für die zu
vergrößernden
Standardzellen 5, 51, 52, 53, 54 wird
im lef File die bbox, d.h. die Ausdehnung der Standardzelle 5, 51, 52, 53, 54 in
x Richtung um ein ganzzahliges Vielfaches des Rasters vergrößert. Da
aber das reale Layout der Standardzelle nicht verändert wird – und die Änderungen der
Breite nur temporär
für einen
Zwischenschritt (1003) gemacht werden – liegt eine virtuelle Verbreiterung
in einem virtuellen Layout vor.
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In
einem virtuell platzierten Design werden nun die originalen Standardzellen 5, 51, 52, 53, 54 mit
diesen verbreiterten Standardzellen 5, 51, 52, 53, 54 ausgetauscht.
Das hat allerdings zur Folge, dass sich Überlappungen der Zellen ergeben
können.
Um diese Überlappungen
zu beseitigen, wird ein ECO(engineering change order)-Schritt durchgeführt, welcher
die Standardzellen 5, 51, 52, 53, 54 in einer
Standardzellenreihe 101 leicht verschiebt.
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Anschließend werden
die vergrößerten Standardzellen
wieder durch die original Zellen ersetzt. Damit erreicht man eine
bessere und gleichmäßigere Verteilung
der Standardzellen 5, 51, 52, 53, 54 in
der jeweiligen Standardzellenreihe 101 und erhöht somit die
Routbarkeit unter Umständen
drastisch.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von der erfindungsgemäßen Anordnung
und dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch machen.
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- 1
- Spannungsversorgungsbahn
- 2
- Metallbahnen
- 5,
51, 52, 53, 54
- Standardzellen
- 6,
7
- interne
Verbindungsleitungen
- 50
- Standardzellenrand
- 50'
- Standardzelle
mit verbreiterten
-
- Standardzellenrand
im virtuellen Layout
- 101,
102, 103, 104
- Standardzellenreihe
- 201,
202, 203
- vertikaler
Verdrahtungskanal
- xist
- ermittelter
Abstand zwischen
-
- Standardzellen
- xsoll
- Sollabstand
zwischen Standardzellen