在高性能集成電路 (IC) 設計領域，對稱性不僅僅是一種美學偏好，同時也是確保器件正常運行的關鍵因素。尤其是在模擬和射頻 (RF) 設計中，對稱性設計有助于電性保持一致。然而，在 IC 設計中確保對稱性并非易事。在本文中，我們將探討對稱性檢查的重要性、它所帶來的挑戰，以及如何將對稱性檢查提前到設計流程中，以增強驗證效率，確保設計實現預期功能。
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高性能 IC 中對稱性的重要性
IC 設計中的對稱性指的是電路元件在幾何形狀、電氣特性等方面達到一種平衡狀態。在差分對中繪制的相同 MOSFET 必須在整個布局生命周期中保持基本相同，以維持相同的電氣性能（圖 1）。
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圖 1. 器件參數匹配減少了應力和芯片長度變化 (ACLV) 的影響。
（圖片來源：西門子）

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這一概念在需要嚴格精度的電路中尤為重要，例如數據轉換器、運算放大器和鎖相環 (PLL)。對稱結構可最小化由制造缺陷或工藝變化引起的偏差，而這些偏差可能對性能造成很大影響。任何微小的不匹配都可能導致信號失真、噪聲或定時錯誤，從而影響 IC 的整體功能。
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例如，在差分電路中，保持正負分支之間的對稱性可確保在兩個分支中共有的噪聲相互抵消，只剩下所需的信號。同樣，在 RF 電路中，對稱布局有助于防止寄生元件對信號完整性產生負面影響。
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為了應對這些挑戰，自動對稱性檢查工具需要不斷進化，更細致地控制對稱性約束條件，并支持先進工藝技術。這些工具可以處理復雜幾何形狀和多層設計，確保即使在最先進的 IC 中也能保持對稱性。
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先進節點對稱性檢查的挑戰
隨著 IC 設計轉向更小的工藝節點，布局的復雜性和高性能設計所需的更嚴格公差，帶來了更困難的對稱性檢查挑戰。在先進節點中，即使輕微的不對稱也可能導致顯著的性能下降。
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此外，先進封裝技術（如 2.5D 和 3D IC）的廣泛應用為對稱性檢查增加了更多復雜性。在這些設計中，跨越多個芯片或堆疊層保持對稱性對于確保信號完整性和最小化組件之間的串擾至關重要。
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傳統對稱性檢查方法
遺憾的是，傳統的對稱性驗證方法往往存在漏洞，導致錯誤可能直到設計后期才會被發現，甚至是在制造之后才發現。
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早期設計人員采用了幾種方法來驗證對稱性，但每種方法都有其自身的局限性，如圖 2 所示。
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圖 2. 傳統對稱性驗證技術。
（來源：西門子）

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手動尺規測量： 這是一種耗時且容易出錯的方法，結果的質量完全取決于設計人員的細致程度。

編寫復雜規則： 這種方法可以產生準確的結果，但需要大量的專業知識和時間來編寫和維護對稱性驗證規則。

單元鏡像： 設計人員基于構造對稱性假設正確性。然而，在物理設計過程中，與放置相關的偏移可能會破壞對稱性。

寄生參數提取： 通過在寄生參數提取過程中匹配電阻值，設計人員推斷對稱性。然而，提取工具內的近似可能將會導致對實際對稱性的不準確假設。

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這些方法各有局限，更重要的是，依賴這些方法通常意味著設計人員只能在設計過程的后期甚至是流片后才發現問題，導致成本高昂的設計更改。
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將對稱性檢查提前到設計流程中
近年來，“左移”驗證的概念在半導體行業大行其道。通過將驗證任務提前到設計流程的早期階段，設計人員可以在設計之初提前發現問題，而對稱性檢查就是這種方法論的理想實踐之一。
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從早期階段到 signoff 的過程中進行持續驗證，能夠獲得諸多益處：
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及早發現違規問題：通過將對稱性檢查左移，設計人員可以在構建布局的過程中發現對稱性違規。這使得調試速度更快，并有效減少設計迭代次數。

提高準確性：早期對稱性檢查能夠確保在設計過程中持續保持對稱性，進而在最終產品中實現更高的準確性和更好的性能。

提高效率：自動化對稱性檢查減少了手動檢查的需求，使設計人員能夠專注于更復雜的任務。自動化還能最小化人為錯誤的風險，確保更一致的結果和更快的驗證周期。

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這些益處疊加可以減少迭代次數、加速流片時間，并確保設計滿足市場需求。
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在設計環境中自動化對稱性檢查
自動對稱性檢查解決方案使設計人員能夠直接在布局中設置對稱性約束，這些約束會隨著設計的推進自動進行驗證。實時標記違規，并即刻進行更正。自動化還使設計人員能夠為設計的不同部分定義自定義對稱性規則，確保布局符合每個模塊的具體要求。圖 3 展示了通過 Calibre RealTime 平臺實現的 Calibre 交互式對稱性檢查，用戶可以通過設計布局訪問該平臺。
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圖 3： Calibre 交互式對稱性檢查解決方案完全自動化，并可通過 Calibre RealTime 集成到設計環境中。
（來源：西門子）
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結論
對稱性對于實現高性能 IC 至關重要。通過將對稱性檢查左移到設計流程中，設計人員可以及早發現違規，簡化驗證過程，并降低成本高昂的設計迭代風險。在設計環境中能夠直接訪問的自動化交互式對稱性檢查解決方案正在促成這一轉變，實現更快、更準確的 IC 設計對稱結構驗證，進而幫助團隊設計高性能 IC，以滿足當今半導體行業所要求的嚴格性能和可靠性標準。
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