文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190484
中文引用格式: 丁柯,,張軍,,蔣衛(wèi)軍. 集成電路版圖相似度模型研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2019,,45(10):45-49.
英文引用格式: Ding Ke,,Zhang Jun,Jiang Weijun. The study on layout comparability model of integrated circuits[J]. Application of Electronic Technique,,2019,,45(10):45-49.
0 引言
我國(guó)的《中華人民共和國(guó)反不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)法》和《集成電路布圖設(shè)計(jì)保護(hù)條例》對(duì)集成電路布圖設(shè)計(jì)進(jìn)行了不同程度的保護(hù)[1],。集成電路布圖設(shè)計(jì)專有權(quán)作為芯片領(lǐng)域的一種專有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)形式,,因其獲權(quán)方式較專利權(quán)相對(duì)簡(jiǎn)單,從而成為芯片設(shè)計(jì)公司較普遍擁有的一項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán),?!都呻娐凡紙D設(shè)計(jì)保護(hù)條例》的第三十條明確規(guī)定,復(fù)制受保護(hù)的布圖設(shè)計(jì)的全部或者其中任何具有獨(dú)創(chuàng)性的部分的行為都認(rèn)定為侵權(quán)行為,,并應(yīng)承擔(dān)相應(yīng)的賠償責(zé)任,。也就是說(shuō),集成電路受該法律保護(hù)的實(shí)質(zhì)要件是布圖設(shè)計(jì)的“獨(dú)創(chuàng)性”部分,。而要在布圖設(shè)計(jì)侵權(quán)的司法鑒定過(guò)程中獲得獨(dú)創(chuàng)性部分的布圖設(shè)計(jì),,需要使用反向工程進(jìn)行分析。我國(guó)《關(guān)于審理不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)民事案件應(yīng)用法律若干問(wèn)題的解釋》第十二條對(duì)合法的反向工程作了如下定義:“通過(guò)技術(shù)手段對(duì)從公開(kāi)渠道取得的產(chǎn)品進(jìn)行拆卸,、測(cè)繪,、分析等而獲得該產(chǎn)品的有關(guān)技術(shù)信息”,即反向工程需付出重要?jiǎng)趧?dòng),、技術(shù)或資金投入,。也就是說(shuō),以評(píng)價(jià),、分析,、研究、教學(xué)為目的的反向分析是法律許可的行為,,不視為侵權(quán)[2],。
布圖設(shè)計(jì)侵權(quán)的司法鑒定包括兩個(gè)步驟:布圖設(shè)計(jì)獨(dú)創(chuàng)性鑒定和布圖設(shè)計(jì)獨(dú)創(chuàng)性區(qū)域的相似度鑒定,。目前,集成電路布圖設(shè)計(jì)相似度鑒定在行業(yè)內(nèi)尚沒(méi)有統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),,且司法實(shí)踐中也鮮有案例可供借鑒,,這給司法工作者帶來(lái)了判斷和執(zhí)行的困難,甚至導(dǎo)致布圖設(shè)計(jì)條例很難發(fā)揮應(yīng)有的作用,。北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司探索了一種較為可行的方法,,即在考慮芯片工藝和相關(guān)領(lǐng)域后,根據(jù)版圖元素耦合度大小進(jìn)行模塊劃分,,再對(duì)各模塊進(jìn)行相似度的比較,,然后根據(jù)每個(gè)模塊的重要性給出模塊的權(quán)重,最后按照加權(quán)法給出整體的相似度,。這種相似度的判定方法稱為“版圖細(xì)分加權(quán)法”,。
1 版圖細(xì)分加權(quán)法概述
《集成電路布圖設(shè)計(jì)保護(hù)條例》第二條第二款規(guī)定了集成電路布圖設(shè)計(jì)有兩種表現(xiàn)形態(tài):集成電路和為制造集成電路的三維配置。集成電路芯片是制造廠商根據(jù)集成電路版圖對(duì)晶圓進(jìn)行掩膜光照生產(chǎn)獲得的最終產(chǎn)品,。而集成電路版圖是為制造集成電路而準(zhǔn)備的三維配置,,因此集成電路版圖是布圖設(shè)計(jì)的一種重要表現(xiàn)形式。
當(dāng)侵權(quán)行為發(fā)生時(shí),,將布圖登記時(shí)提交的樣品芯片和侵權(quán)芯片進(jìn)行對(duì)比是判定是否侵權(quán)的一個(gè)重要依據(jù),。由于集成電路芯片結(jié)構(gòu)過(guò)于微觀復(fù)雜,必須要借助前述的反向工程獲得芯片各層次的照片才能對(duì)芯片的布圖進(jìn)行分析,。然而,,僅對(duì)登記的樣品芯片的照片和侵權(quán)芯片的照片進(jìn)行判斷,過(guò)于依賴判斷者的主觀經(jīng)驗(yàn),。本文提出了基于芯片提取得到的集成電路版圖的對(duì)比方法,,由于集成電路版圖是為生產(chǎn)芯片準(zhǔn)備的三維配置,因此采用集成電路版圖(以下簡(jiǎn)稱版圖)的對(duì)比更加客觀,。
采用“版圖細(xì)分加權(quán)法”的原因有如下幾個(gè)方面,。首先,版圖相似度判定涉及制造工藝,、面積,、各層圖元等多方面的因素;其次,,版圖設(shè)計(jì)通常會(huì)采用按照功能模塊進(jìn)行布局的方法,,因此版圖存在按模塊劃分布局的可行性;再次,,版圖采用分層布圖方式,,相似度判定需要考慮各版圖層差異,按層次細(xì)分符合設(shè)計(jì)習(xí)慣和通用規(guī)則,;最后,,版圖細(xì)分后的各部分存在重要性的差異,。
“版圖細(xì)分加權(quán)法”中的版圖有三個(gè)要素需要考慮,分別為:芯片工藝,、頂層模塊布局和模塊內(nèi)部布局。每個(gè)版圖要素需要進(jìn)行細(xì)分,,再進(jìn)行相似度判定,。芯片工藝細(xì)分為:制造工藝、金屬和多晶層數(shù),、特征尺寸,、芯片面積四個(gè)因素;芯片頂層模塊布局細(xì)分為:模塊數(shù)量,、模塊相對(duì)位置兩個(gè)因素,;影響模塊內(nèi)部布局相似度的原因比較復(fù)雜,涉及圖元面積,、圖元層次,、圖元形狀、圖元相對(duì)位置及圖元數(shù)量等方面,,判定方法不同于其他兩個(gè)要素,。圖1為版圖要素細(xì)分圖。根據(jù)本文描述的集成電路版圖相似度模型,,將模塊內(nèi)部布局定義為版圖圖元集合,。本文詳細(xì)闡述了關(guān)于版圖圖元集合相似度判定的方法。
2 集成電路版圖的相似度
集成電路版圖(簡(jiǎn)稱“版圖”)是由版圖圖元(layout element)構(gòu)成的,,任何一個(gè)版圖圖元是一個(gè)在特定版圖層上的多邊形,。記P為所有多邊形構(gòu)成的集合,L為所有版圖層構(gòu)成的集合,。
定義1(版圖圖元):一個(gè)集成電路版圖的圖元e是一個(gè)二元組(p,,l),其中p∈P表示這個(gè)圖元的多邊形,,l∈L表示圖元所在的版圖層,。
將所有的版圖圖元構(gòu)成了的全圖元集合記作E。若一個(gè)版圖圖元的多邊形面積為0,,稱這個(gè)版圖圖元為空版圖圖元,;反之,若一個(gè)版圖圖元的多邊形面積不為0,,稱這個(gè)版圖圖元為非空版圖圖元,。一個(gè)集成電路版圖包含了若干個(gè)版圖圖元,因此有如下定義,。
定義2(集成電路版圖):一個(gè)集成電路版圖L是全圖元集合E的一個(gè)子集,,并且滿足如下條件:對(duì)L中在同一個(gè)版圖層上的任何兩個(gè)圖元e1=(p1,,l)和e2=(p2,l),,p1與p2不相交,。
定義3(版圖層相似度函數(shù)):對(duì)任意的兩個(gè)版圖層l1∈L和l2∈L,版圖層相似度函數(shù)d(l1,,l2)是一個(gè)返回值為0~1之間實(shí)數(shù)的函數(shù):L∈L→[0,,1],對(duì)任意的l∈L,,有d(l,,l)=1。
版圖層相似度函數(shù)用來(lái)表示這兩個(gè)版圖層之間的相似程度,。在實(shí)際應(yīng)用中,,一種簡(jiǎn)單的相似度函數(shù)可以定義為:版圖層相同時(shí)返回值為1,版圖層不同時(shí)返回值為0,。
定義4(版圖圖元的相似度函數(shù)):兩個(gè)非空版圖圖元e1=(p1,,l1)和e2=(p2,l2)的相似度函數(shù)s(e1,,e2)=area(intersect(p1,,p2))/max(area(p1),area(p2))×d(l1,,l2),。其中:intersect(p1,p2)表示多邊形p1和p2的相交多邊形,;area(p)表示多邊形p的面積,;d(l1,l2)是版圖層相似度函數(shù),。
根據(jù)上述定義,,如果兩個(gè)版圖圖元e1和e2之間的相交區(qū)域越大,s(e1,,e2)就越接近為1,。并且,對(duì)任意的版圖圖元e,,有s(e,,e)=1。為了方便,,若版圖圖元e1和e2之間至少有一個(gè)為空版圖圖元,,那么定義s(e1,e2)=0,。
定義5(集成電路版圖在單射f下的相似度):L1和L2是兩個(gè)集成電路版圖,,其中|L1|≤|L2|,,映射f是指從整數(shù)集合{n|1≤n≤|L1|}到整數(shù)集合{n|1≤n≤|L2|}的一個(gè)單射,L1和L2在單射f下的相似度Sf(L1,,L2)定義如下:Sf(L1,,L2)=∑s(ei,ef(i))/|L2|,,其中i=1,,2,…,,|L1|。當(dāng)|L1|>|L2|時(shí),,Sf(L1,,L2)=Sf(L2,L1),。
上述定義給出了兩個(gè)集成電路版圖相似度的一個(gè)比較方法,,即建立兩個(gè)集成電路版圖圖元之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,并且計(jì)算相對(duì)應(yīng)的版圖圖元的相似度,。以圖2為例,,兩個(gè)版圖L1和L2分別包含n和m個(gè)圖元,并且n≤m,。版圖L1中的n個(gè)圖元一一映射到L2中,,每對(duì)映射的圖元的相似度為s1,s2,,s3,,…,sn,,那么這兩個(gè)版圖在該單射下的相似度為:Sf(L1,,L2)=(s1+s2+s3+…+sn)/m。
考慮到不同的單射會(huì)得到不同的相似度結(jié)果,,引入“集成電路版圖在單射下的最大相似度”定義,,用來(lái)找到一個(gè)單射,使兩個(gè)版圖在該單射下的相似度值最大化,。
定義6(集成電路版圖在單射下的最大相似度):L1和L2是兩個(gè)集成電路版圖,,它們?cè)趩紊湎碌淖畲笙嗨贫萐(L1,L2)=sup({Sf(L1,,L2)|f∈F}),,其中F是版圖L1到L2的所有單射函數(shù)的集合,sup是表示集合上確界函數(shù),。
根據(jù)上述定義,,對(duì)任何一個(gè)非空集成電路版圖L,,有S(L,L)=1,,S(L,,φ)=0。
在比較兩個(gè)集成電路版圖時(shí),,要考慮兩個(gè)版圖的坐標(biāo)平移和坐標(biāo)翻轉(zhuǎn)的情況,。坐標(biāo)翻轉(zhuǎn)是指R0、R90,、R180,、R270、MX,、MY,、MXR90、MYR90八種情況,。
定義7(集成電路版圖的變換):針對(duì)一個(gè)集成電路版圖L,,對(duì)L中的每一個(gè)版圖圖元應(yīng)用一次或者多次的坐標(biāo)平移或者坐標(biāo)翻轉(zhuǎn),得到變換后的版圖為t(L),。
根據(jù)上述定義,,有如下定理:
定理1(集成電路版圖單射下的最大相似度在變換下的不變性):兩個(gè)集成電路版圖L1和L2,對(duì)任意的變換t,,S(L1,,L2)=S(t(L1),t(L2)),。
證明(略),。
定義8(集成電路版圖的最大相似度):兩個(gè)集成電路版圖L1和L2,它們的相似度A(L1,,L2)=sup({S(t(L1),,L2)|t∈T}),其中T是所有集成電路版圖變換的集合,。
根據(jù)上述定義,,對(duì)任何一個(gè)非空集成電路版圖L,有A(L,,L)=1,,A(L,φ)=0,。
定理2(集成電路版圖的相似度函數(shù)的可交換性):兩個(gè)任意的兩個(gè)集成電路版圖L1和L2,,有A(L1,L2)=A(L2,L1),。
證明(略)
3 應(yīng)用實(shí)例
本文首先考慮將上述版圖相似度模型應(yīng)用于簡(jiǎn)單多邊形的情形,。
圖3為兩個(gè)簡(jiǎn)單多邊形(實(shí)際上是矩形),多邊形A的大小為10×10,,多邊形B的大小為11×9,。當(dāng)對(duì)多邊形A不斷應(yīng)用平移變換時(shí),兩個(gè)多邊形的重疊量將不斷變大,,從而計(jì)算出來(lái)的相似度不斷變大,,圖4給出了不同平移變換下根據(jù)重疊量計(jì)算出來(lái)的相似度,可以看到:這兩個(gè)多邊形的最大相似度為90%,。
MOS管是CMOS集成電路版圖中使用最多的器件,,下面將本文第2節(jié)中的版圖相似度模型應(yīng)用于MOS管的版圖。
圖5給出了兩個(gè)MOS管的版圖示意圖,。構(gòu)成這兩個(gè)MOS管的多邊形數(shù)量相等,,并且擺放位置類似。MOS管A的多晶寬度為2.0,,孔大小為2.0×2.0;MOS管B的多晶寬度為1.8,,孔大小為1.8×1.8,。兩個(gè)MOS管的孔間距及孔與多晶的間距也略有不同。當(dāng)對(duì)MOS管A不斷應(yīng)用平移變換時(shí),,兩個(gè)MOS管相對(duì)應(yīng)多邊形的重疊量將不斷變大,,從而根據(jù)定義5計(jì)算出來(lái)的相似度不斷變大,圖6給出了不同平移變換下根據(jù)重疊量計(jì)算出來(lái)的相似度,,可以看到:這兩個(gè)MOS管的最大相似度為84.5%,。
圖7(a)和圖7(b)為兩個(gè)相似度極高的比較器布圖設(shè)計(jì)示意圖。構(gòu)成這兩個(gè)比較器的多邊形數(shù)量相等,,擺放位置相同,。比較器A和比較器B的多晶寬度相同,孔大小相同,,只是孔的數(shù)量和密度不同,。當(dāng)對(duì)比較器A不斷應(yīng)用平移變換時(shí),兩個(gè)比較器相對(duì)應(yīng)多邊形的重疊量將不斷變大,,從而根據(jù)定義5計(jì)算出來(lái)的相似度不斷變大,,最后計(jì)算結(jié)果:這兩個(gè)MOS管的最大相似度為96.7%。
4 版圖相似度模型的局限性
上述版圖相似度模型存在如下一些局限性:
(1)上述集成電路版圖相似度模型并沒(méi)有考慮版圖中不同版圖圖元的權(quán)重問(wèn)題,。在不同領(lǐng)域的版圖設(shè)計(jì)中,,一些版圖圖元傾向于比另一些版圖圖元顯得更為重要。為體現(xiàn)版圖圖元的不同重要性,可以對(duì)定義5中的公式進(jìn)行調(diào)整,,引入權(quán)重因子,。
(2)集成電路版圖中經(jīng)常包括啞元(dummy)填充圖形,這些啞元填充圖形應(yīng)當(dāng)首先排除掉,,然后再應(yīng)用上述的相似度模型,。
(3)在上述模型中,將集成電路版圖簡(jiǎn)單地定義為全圖元集合E的一個(gè)子集,,但是集成電路版圖受到工藝規(guī)則的約束,,并且版圖圖元要構(gòu)成一個(gè)有意義、能工作的芯片,,還有很多約束規(guī)則要滿足,。因此,全圖元集合E的絕大多數(shù)子集均不是“合理的”集成電路版圖,。上述模型沒(méi)有將這些約束考慮在內(nèi),,其直接后果是計(jì)算出來(lái)的相似度結(jié)果可能系統(tǒng)性偏高。以本文第3節(jié)中“MOS管的相似度比較”為例,,任何兩個(gè)單柵并且柵兩邊均有三個(gè)接觸孔的MOS管版圖可能都具有較高的相似度,,盡管兩個(gè)MOS管版圖的設(shè)計(jì)是完全獨(dú)立完成的。產(chǎn)生這種較高相似度的原因是約束條件,、習(xí)慣性的版圖設(shè)計(jì)方式等,。由于這些因素難以形式化嚴(yán)格定義,因此本模型只能將其忽略,。
(4)本模型實(shí)際上適用于兩個(gè)集成電路模塊的比較,。當(dāng)集成電路版圖包含多個(gè)模塊時(shí),要考慮將整個(gè)版圖先細(xì)分為模塊,,然后對(duì)模塊應(yīng)用本模型進(jìn)行相似度比較,。
5 版圖相似度判定軟件工具
在實(shí)際應(yīng)用本文版圖相似度模型時(shí),首先要對(duì)版圖數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,,將版圖數(shù)據(jù)規(guī)范化:
(1)一個(gè)GDSII版圖文件通常包括矩形,、多邊形、等寬線等不同形式的版圖圖元,,為了后繼相似度判定的方便,,需要將各種版圖圖元全部轉(zhuǎn)化為多邊形的表示。
(2)集成電路版圖一般采用層次化設(shè)計(jì),,需要將版圖打平,,形成完全打平的版圖。
(3)將同一層相交的多邊形合并,,以滿足定義2中多邊形不得相交的要求,。
(4)移除掉無(wú)用的版圖圖形(LOGO、dummy等)。
版圖數(shù)據(jù)的規(guī)范化預(yù)處理可以使用Dracula,、Calibre等版圖驗(yàn)證軟件完成,。Dracula、Calibre等軟件具備完善的多邊形批處理功能,,是理想的預(yù)處理工具,。
當(dāng)版圖數(shù)據(jù)量很大時(shí),不可能用手工的方式來(lái)應(yīng)用上述版圖相似度模型,,必須開(kāi)發(fā)軟件工具來(lái)自動(dòng)計(jì)算兩個(gè)版圖的相似度,。有如下一些考慮:
(1)計(jì)算集成電路版圖在單射下的最大相似度是一個(gè)具有NP復(fù)雜度的算法。對(duì)兩個(gè)集成電路版圖L1和L2,,假設(shè)|L1|≤|L2|,,則L1集合到L2集合的單射函數(shù)的數(shù)量會(huì)達(dá)到O(|L2|!×(|L2|-|L1|)!)。隨著L1和L2集合的增加,,單射函數(shù)的數(shù)量會(huì)成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng),。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),可采用貪心算法(greedy algorithm):對(duì)版圖L1中的每一個(gè)圖元,,在L2集合中找到與其重疊比例最大的同層圖元,,并在這兩個(gè)圖元之間建立映射關(guān)系。采用貪心算法,,可以將計(jì)算單射下的最大相似度的復(fù)雜度降低到O(|L2|×|L1|),。貪心算法常常不能得到整體最優(yōu)解,但對(duì)大多數(shù)版圖,,可以得到整體最優(yōu)解的近似解,。
(2)再計(jì)算不同變換下的平移,。具體流程見(jiàn)圖8,。
6 結(jié)論
HxComparator是根據(jù)本文模型研發(fā)的集成電路版圖相似度判定軟件??紤]到計(jì)算復(fù)雜性等方面的約束,,HxComparator在計(jì)算不同單射下和不同變換下的最大相似度時(shí),采用了性能優(yōu)化措施,,從而使算法計(jì)算量顯著減低,。該性能優(yōu)化可能使計(jì)算出來(lái)的相似度系統(tǒng)性偏低,在絕大多數(shù)情況下,,該系統(tǒng)性偏低在可以忍受的誤差范圍內(nèi),。
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作者信息:
丁 柯,張 軍,,蔣衛(wèi)軍
(北京芯愿景軟件技術(shù)有限公司,,北京100095)