什么是Layout versus Schematic？

在 ASIC 物理實現(xiàn)中，一旦生成版圖（layout），它必須遵循成功制造的所有設(shè)計規(guī)則（Design Rule），并且必須匹配所需設(shè)計的原理圖（schematic）。為了在物理驗證中確保這一點，執(zhí)行設(shè)計規(guī)則檢查 (DRC) 以檢查layout是否遵循fault-less manufacturing rule。這種 DRC 檢查可提供良好的制造良率并防止制造過程中出現(xiàn)故障，但不能確保layout的正確性。需要確保設(shè)計的物理實現(xiàn)與設(shè)計的原理圖相同。為此，將layout netlist的電路與schematic netlist網(wǎng)表進行比較，稱為Layout versus Schematic (LVS)。

我以前用的比較多的跑DRC和LVS的工具是Calibre.

圖1 Layout和Schematic示意圖

一般LVS的輸入件如下：

GDS（layout stream file）：LVS工具通過GDS提取生成layout netlist，用于LVS比較。

Schematic netlist：用作 LVS 比較的source netlist。

Rule deck file：Rule deck file由執(zhí)行 LVS 所需的指令和文件組成。Rule deck file還包含一個layer definition，這對于提取很有用。

Equivalence file：由cell pairs組成，其中一個來自layout netlist，另一個來自schematic netlist。

LVS 不是一個簡單地將版圖與電路原理圖進行比較的過程，它需要分兩步完成。第—步“抽取”，第二步“比較”。首先根據(jù) LVS 提取規(guī)則，EDA 工具從版圖中抽取出版圖所確定的網(wǎng)表文件; 然后將抽取出的網(wǎng)表文件與電路網(wǎng)表文件進行比較。需要說明的是:抽取的網(wǎng)表為晶體管級的 SPICE網(wǎng)表，而電路網(wǎng)表為門級的Verilog網(wǎng)表，該門級網(wǎng)表需要結(jié)合SPICE模型/CDL模型轉(zhuǎn)化為SPICE網(wǎng)表，才能與抽取的網(wǎng)表進行邏輯等效性比對。如果兩個網(wǎng)表的電路連接關(guān)系和器件完全一致則通過 LVS 檢査。反之，說明版圖存在與電路不一致的地方，需要進行檢査并加以處理或修改更正。

實現(xiàn)“抽取”的主要步驟是網(wǎng)表提取，它可以實現(xiàn)從版圖提取網(wǎng)表，包含連接關(guān)系提取和器件提取兩大模塊。連接關(guān)系提取模塊的主要功能是標識線網(wǎng)和為線網(wǎng)命名。標識線網(wǎng)是指把金屬、通孔、多晶等半導體劃分為不同的連通集合，從而生成不同的線網(wǎng)。器件提取模塊的主要功能是識別器件、計算器件屬性和輸出網(wǎng)表。

實現(xiàn)“比較“的步驟是網(wǎng)表比較，它包括網(wǎng)表預處理、版圖和原理圖網(wǎng)表比較。網(wǎng)表預處理的主要工作是串并聯(lián)結(jié)構(gòu)約簡，虛擬器件過濾，門電路識別等。在版圖設(shè)計中，寬長較大的 MOS 管通常會采用版圖折疊的方法將其等效于多個晶體管的并聯(lián)，所以為避免在檢査器件數(shù)目和尺寸時發(fā)生錯誤，需要把版圖中折疊的、并聯(lián)或串聯(lián)的器件合并成一個再進行比較。而門電路結(jié)構(gòu)可以作為一個整體對待，以此減少需要處理的節(jié)點數(shù)量。

圖2 LVS過程示意圖

完成網(wǎng)表預處理后，則可以開始進行網(wǎng)表比較。網(wǎng)表比較本質(zhì)上是圖同構(gòu)問題。圖同構(gòu)比較的是拓撲結(jié)構(gòu)，不受節(jié)點的物理位置、距離、大小影響。若版圖網(wǎng)表和原理圖網(wǎng)表同構(gòu)，則版圖上的每一個節(jié)點都唯一對應(yīng)原理圖上的一個節(jié)點。

圖3 版圖和原理圖比較示意圖

LVS errors可以分為兩個大類:

Extraction Errors

?Text short and open

?Device extraction error

?Missing device terminal

?Extra device terminal

?Unused text

?Duplicate structure placement

Compare Errors

?Unmatched nets in the layout/schematic

?Unmatched devices in the layout/schematic

?Property errors

?Port swap errors

具有相同layout text的net的shapes不相交或不接觸導致設(shè)計中有open（開路）.。Opens 意味著設(shè)計中有floating connections. Floating connection會導致芯片的重大缺陷。所以發(fā)現(xiàn)和找到design中的open非常重要。在進入LVS環(huán)節(jié)前，在PnR工具中進行相關(guān)檢查很有幫助。

下面的示例顯示了 LVS 工具對設(shè)計中open的檢測。該工具生成的報告描述了設(shè)計中的open，如以下工具報告片段所示。

圖4 LVS report中的open

Error summary顯示檢測到的錯誤及其數(shù)量的總結(jié)。對于open，extractor 將open net提取為兩個不同的net，因此layout中的net數(shù)量大于schematic中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，如報告所示。該報告顯示layout中的net數(shù)量以及相應(yīng)的schematic。schematic net  BUF_net_152645，在layout中用兩個net

N_11965140和N_11989743表示（因為open成兩段了），如報告中所述。

此類問題可以通過connet屬于同一net的的layout shape來解決

圖5 layout中的open

如果layout中具有l(wèi)ayout text的layer重疊或相交，將導致short（短路）。設(shè)計中short的存在會導致芯片failure。在進入LVS環(huán)節(jié)前，在PnR工具中進行相關(guān)檢查很有幫助。

下面的示例顯示了 LVS 工具對設(shè)計中short的檢測。該工具生成的報告描述了設(shè)計中的short,如以下工具報告片段所示。

當設(shè)計中發(fā)生short時，extractor會將short的net extract為單個net，因此schematic中的兩個net只有一個對應(yīng)的layout net，如報告中所述。N738 和 BUF_net_189972 是short net。

圖6 LVS report中的short

Short可以通過正確地重新繞線來解決。

圖7 layout中的Short

在設(shè)計中，由于設(shè)計的復雜性或不正確的設(shè)置，PnR 工具可能會將macro的internal geometries（內(nèi)部走線）制造short的方式對net進行布線。如果macro的 LEF 中缺少routing blockage，也會發(fā)生這種情況。有時在manual custom routing時，會在自定義routing和macro的內(nèi)部routing之間創(chuàng)造成short。在 PnR 工具環(huán)境中不容易報告此類short violation。當我們將hard macro的 GDS 與頂層block merge時，short在 GDS 中是可見的。下面是一個片段，顯示了signal net如何錯誤地通過hard macro走線。由于hard macro的internal geometries的存在，因此該layer被block在macro上了。該net將導致macro的internal geometries short。

圖8 外部net和macro內(nèi)部走線short（PnR tool view）

下面是merge后的 GDS 的片段，清楚地顯示了short。

圖9 外部net和macro內(nèi)部走線short（GDS view）

生成的報告與上文所述的short報告類似。此示例的報告選段如下。

圖10 LVS report中的

當設(shè)計中有PG short時，很難識別。PG short可以是power net和ground net之間的short，也可以是power/ground net和signal net之間的short。當 PG  net與相當長的signal net short時，并且由于 PG net連接到如此多的器件，很難精確定位short位置。

由于不正確的metal fill和manual routing changes，VSS net和其中一個signal net之間產(chǎn)生了short，如下圖所示。

圖11 錯誤的metal fill造成pg net和signal net的short

如果在merge database時缺少某些 spice 文件或 GDS 文件，則會顯示missing components錯誤。例如：如果您在設(shè)計中使用了單元 ABC，但未在 GDS  list或spice list中定義該單元以用于 LVS 流程，則可能導致missing components錯誤。要么需要修改list，要么需要從 LVS 比較中排除 ABC 單元（這取決于單元的功能，在比較中只能排除physical-only單元）。

如果單元的 PG 引腳未使用 connect_pg_net 命令連接到任何power/ground net，則會導致大多數(shù)設(shè)計的器件mismatch和 LVS 錯誤。例如，即使標準單元 PG 引腳名稱為 VDD，工具也不會將其連接到設(shè)計的 VDD 網(wǎng)絡(luò)。我們需要使用下面的命令來連接這些引腳。

connect_pg_net -net VDD [get_pins -hierarchical */VDD]

LVS 是驗證網(wǎng)表物理實現(xiàn)正確性的有用技術(shù)。open、short、missing components和Missing global net connect是可能影響設(shè)計功能的潛在問題，并且可能無法在物理設(shè)計早期檢測到，因此 LVS 有助于在設(shè)計中報告這些問題。一旦物理驗證工具報告了這些問題，就可以通過本文中討論的各種技術(shù)來解決。