Automatic layout generation of static CMOS circuits targeting delay and power

Abstract

The evolution of integrated circuits technologies demands the development of new CAD tools. The traditional development of digital circuits at physical level is based in library of cells. These libraries of cells offer certain predictability of the electrical behavior of the design due to the previous characterization of the cells. Besides, different versions of each cell are required in such a way that delay and power consumption characteristics are taken into account, increasing the number of cells in a library. The automatic full custom layout generation is an alternative each time more important to cell based generation approaches. This strategy implements transistors and connections according patterns defined by algorithms. So, it is possible to implement any logic function avoiding the limitations of the library of cells. Tools of analysis and estimate must offer the predictability in automatic full custom layouts. These tools must be able to work with layout estimates and to generate information related to delay, power consumption and area occupation. This work includes the research of new methods of physical synthesis and the implementation of an automatic layout generation in which the cells are generated at the moment of the layout synthesis. The research investigates different strategies of elements disposition (transistors, contacts and connections) in a layout and their effects in the area occupation and circuit delay. The presented layout strategy applies delay optimization by the integration with a gate sizing technique. This is performed in such a way the folding method allows individual discrete sizing to transistors. The main characteristics of the proposed strategy are: power supply lines between rows, over the layout routing (channel routing is not used), circuit routing performed before layout generation and layout generation targeting delay reduction by the application of the sizing technique. The possibility to implement any logic function, without restrictions imposed by a library of cells, allows the circuit synthesis with optimization in the number of the transistors. This reduction in the number of transistors decreases the delay and power consumption, mainly the static power consumption in submicrometer circuits. Comparisons between the proposed strategy and other well-known methods are presented in such a way the proposed method is validated.

A crescente evolução das tecnologias de fabricação de circuitos integrados demanda o desenvolvimento de novas ferramentas de CAD. O desenvolvimento tradicional de circuitos digitais a nível físico baseia-se em bibliotecas de células. Estas bibliotecas de células oferecem certa previsibilidade do comportamento elétrico do projeto devido à caracterização prévia das células. Além disto,diferentes versões para cada célula são requeridas de forma que características como atraso e consumo sejam atendidos, aumentando o número de células necessárias em uma bilioteca. A geração automática de leiautes é uma alternativa cada vez mais importante para a geracão baseada em células. Este método implementa transistores e conexões de acordo com padrões que são definidos em algoritmos sem as limitações impostas pelo uso de uma biblioteca de células. A previsibilidade em leiautes gerado automaticamente é oferecida por ferramentas de análise e estimativa. Estas ferramentas devem ser aptas a trabalhar com estimativas do leiaute e gerar informações relativas a atraso, potência e área. Este trabalho inclui a pesquisa de novos métodos de síntese física e a implementação de um gerador automático de leiautes cujas células são geradas no momento da síntese do leiaute. A pesquisa investiga diferentes estratégias de disposição dos componentes (transistores, contatos e conexões) em um leiaute e seus efeitos na ocupação de área e no atraso e de um circuito. A estratégia de leiaute utilizada aplica técnicas de otimização de atraso pela integração com uma técnicas de dimensionamento de transistores. Isto é feito de forma que o método de folding permita diferentes dimensionamentos para os transistores. As principais características da estratégia proposta neste trabalho são: linhas de alimentação entre bandas, roteamento sobre o leiaute (não são utilizados canais de roteamento) e geração de leiautes visando a redução do atraso do circuito pela aplicação da técnica de dimensionamento ao leiaute e redução do comprimento médio das conexões. O fato de permitir a implementação de qualquer combinação de equações lógicas, sem as restrições impostas pelo uso de uma biblioteca de células, permite a síntese de circuitos com uma otimização do número de transistores utilizados. Isto contribui para a diminuição de atrasos e do consumo, especialmente do consumo estático em circuitos submicrônicos. Comparações entre a estratégia proposta e outros métodos conhecidos são apresentadas de forma a validar a proposta apresentada.