Standard cell是怎么应用到我们的后端设计中的呢？

Standard cell，标准单元，或者简称cell，可以说是数字芯片后端最基本的概念之一了，甚至可能没有接触过后端的同学也有所耳闻？

那么，它到底是什么呢？我们为何要设定标准单元呢，以及这些cell是怎么应用到我们的后端设计中的呢？我就来以我个人的理解阐述一下这几个问题。

首先，在芯片设计最早期，门电路不多，晶体管都靠手画在图纸上，所有芯片都是一些逻辑简单的全定制芯片的时代，是不存在什么标准单元的概念的。那时的工程师们只需要把一个一个的晶体管摆好，电路就可以正常工作了。

但是随着集成化越来越高，所有的门电路都靠一个个手画变得非常不现实，一个非常朴素的想法就是把一些用过很多次的电路打包，就比如最基本的与或非门，我们要用的时候直接调用这个包就行了，就像复制粘贴一样，这就非常方便了。

比如一个二输入与门，我只要设计好它的电路，画出它的版图，提取出来它的各项参数，就可以无限次的在整个芯片上复制了。

而后，更进一步，我们可以把整个芯片所有可重用的部分都打包起来，为了方便我们摆放和连线，我们会制定一些规范化的rule，比如我们规定每个包要有固定的高度，称为row，宽度可以以一个CPP（栅极间距）的距离变化，称为site。这样就成为了一个std cell。

Std cell可以大大简化我们的设计复杂度，它的意义，就像盖楼房的砖头，构成生物的细胞，画画的颜料一样。

如果对于任何一个逻辑门都要求后端从头晶体管开始设计，那是真的无法想象的。目前所有的芯片已经全部采用了这种设计方式。

但是，不可避免地，它会有一些资源的浪费，因为每一个cell都是有统一的设计规则，必然不能针对性的在一些小的方面进行优化。

举个例子，在芯片的某个地方可以把pin出在cell左侧比较好route，但是这种cell设计的都是在右侧。当然，类似这样的影响在大型design中可以忽略了。

设计std cell是一件非常复杂的事，我感觉不亚于设计一款芯片的复杂程度。首先是电路的设计，schematic design。有一些具有相对复杂逻辑功能的cell，它的逻辑电路如何设计，如何兼顾PPA地进行设计，其实是很难的，设计结束后还要进行许多的验证之类。而后layout工程师要设计画出cell的版图。

我们后端设计一般绕线层十几层顶天了，版图工程师要面对的是数不清的各种各样的层，有metal，有oxide，有poly，有n区有p区，应有尽有，还要考虑尽可能出pin M1或者M2出，低一点，给我们APR预留更多的绕线资源。

而后还要有专门的工程师来进行cell 参数的提取，一般就是指power和timing的提取。Power应该主要就是leakage，timing就很麻烦了，需要在各个corner下，每个corner出一套它的各项参数。

举个例子，一个cell的delay信息，基本需要在各个PVT条件下，测出各个引脚在各种逻辑状态下，input transition和output load各种情形下，cell的delay值。

更别提一些OCV的信息，还有POCV的lvf信息了。最终所有这一切做好后，就可以生成cell的LIB文件了。结合cell的LEF文件（物理信息），我们后端就可以愉快的用这些cell搭积木啦。

我们后端在用的时候，这些cell就是一个一个的黑匣子，看不见内部，只能看到它的大小和出pin的信息。读入网表文件后，相应的cell就出现在我们的GUI界面了。对了，前端在综合的时候也需要读cell的lib。

他们拿到的RTL代码不会指定一个与门要用哪种cell，比如我们目前有两种不同的与门cell，逻辑功能一样，但是有一些别的差异，综合工具就会全面考虑这一块电路，选用相应的cell作为那一段verilog代码里表示的与门。先写这么多吧，文中提到的各种名词之后我可能都会写一写，希望对大家有所帮助。