0 引言

    我國的《中華人民共和國反不正當(dāng)競爭法》和《集成電路布圖設(shè)計保護條例》對集成電路布圖設(shè)計進(jìn)行了不同程度的保護^[1]。集成電路布圖設(shè)計專有權(quán)作為芯片領(lǐng)域的一種專有知識產(chǎn)權(quán)保護形式，因其獲權(quán)方式較專利權(quán)相對簡單，從而成為芯片設(shè)計公司較普遍擁有的一項知識產(chǎn)權(quán)?！都呻娐凡紙D設(shè)計保護條例》的第三十條明確規(guī)定，復(fù)制受保護的布圖設(shè)計的全部或者其中任何具有獨創(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，集成電路受該法律保護的實質(zhì)要件是布圖設(shè)計的“獨創(chuàng)性”部分。而要在布圖設(shè)計侵權(quán)的司法鑒定過程中獲得獨創(chuàng)性部分的布圖設(shè)計，需要使用反向工程進(jìn)行分析。我國《關(guān)于審理不正當(dāng)競爭民事案件應(yīng)用法律若干問題的解釋》第十二條對合法的反向工程作了如下定義：“通過技術(shù)手段對從公開渠道取得的產(chǎn)品進(jìn)行拆卸、測繪、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勞動、技術(shù)或資金投入。也就是說，以評價、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)計侵權(quán)的司法鑒定包括兩個步驟：布圖設(shè)計獨創(chuàng)性鑒定和布圖設(shè)計獨創(chuàng)性區(qū)域的相似度鑒定。目前，集成電路布圖設(shè)計相似度鑒定在行業(yè)內(nèi)尚沒有統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，且司法實踐中也鮮有案例可供借鑒，這給司法工作者帶來了判斷和執(zhí)行的困難，甚至導(dǎo)致布圖設(shè)計條例很難發(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，再對各模塊進(jìn)行相似度的比較，然后根據(jù)每個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)計保護條例》第二條第二款規(guī)定了集成電路布圖設(shè)計有兩種表現(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)計的一種重要表現(xiàn)形式。

    當(dāng)侵權(quán)行為發(fā)生時，將布圖登記時提交的樣品芯片和侵權(quán)芯片進(jìn)行對比是判定是否侵權(quán)的一個重要依據(jù)。由于集成電路芯片結(jié)構(gòu)過于微觀復(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芯片的布圖進(jìn)行分析。然而，僅對登記的樣品芯片的照片和侵權(quán)芯片的照片進(jìn)行判斷，過于依賴判斷者的主觀經(jīng)驗。本文提出了基于芯片提取得到的集成電路版圖的對比方法，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（以下簡稱版圖）的對比更加客觀。

    采用“版圖細(xì)分加權(quán)法”的原因有如下幾個方面。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)計通常會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、芯片面積四個因素；芯片頂層模塊布局細(xì)分為：模塊數(shù)量、模塊相對位置兩個因素；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、圖元相對位置及圖元數(shù)量等方面，判定方法不同于其他兩個要素。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(簡稱“版圖”)是由版圖圖元(layout element)構(gòu)成的，任何一個版圖圖元是一個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)：一個集成電路版圖的圖元e是一個二元組(p，l)，其中p∈P表示這個圖元的多邊形，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。若一個版圖圖元的多邊形面積為0，稱這個版圖圖元為空版圖圖元；反之，若一個版圖圖元的多邊形面積不為0，稱這個版圖圖元為非空版圖圖元。一個集成電路版圖包含了若干個版圖圖元，因此有如下定義。

    定義2(集成電路版圖)：一個集成電路版圖L是全圖元集合E的一個子集，并且滿足如下條件：對L中在同一個版圖層上的任何兩個圖元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))：對任意的兩個版圖層l₁∈L和l₂∈L，版圖層相似度函數(shù)d(l₁，l₂)是一個返回值為0~1之間實數(shù)的函數(shù)：L∈L→[0，1]，對任意的l∈L，有d(l，l)=1。

    版圖層相似度函數(shù)用來表示這兩個版圖層之間的相似程度。在實際應(yīng)用中，一種簡單的相似度函數(shù)可以定義為：版圖層相同時返回值為1，版圖層不同時返回值為0。

    定義4(版圖圖元的相似度函數(shù))：兩個非空版圖圖元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|}的一個單射，L₁和L₂在單射f下的相似度S_f(L₁，L₂)定義如下：S_f(L₁，L₂)=∑s(e_i，e_f(i))/|L2|，其中i=1，2，…，|L₁|。當(dāng)|L₁|>|L₂|時，S_f(L₁，L₂)=S_f(L₂，L₁)。

    上述定義給出了兩個集成電路版圖相似度的一個比較方法，即建立兩個集成電路版圖圖元之間的一一對應(yīng)關(guān)系，并且計算相對應(yīng)的版圖圖元的相似度。以圖2為例，兩個版圖L₁和L₂分別包含n和m個圖元，并且n≤m。版圖L₁中的n個圖元一一映射到L₂中，每對映射的圖元的相似度為s₁，s₂，s₃，…，s_n，那么這兩個版圖在該單射下的相似度為：S_f(L₁，L₂)=(s₁+s₂+s₃+…+s_n)/m。

    考慮到不同的單射會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，用來找到一個單射，使兩個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是兩個集成電路版圖，它們在單射下的最大相似度S(L₁，L₂)=sup({S_f(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，對任何一個非空集成電路版圖L，有S(L，L)=1，S(L，φ)=0。

    在比較兩個集成電路版圖時，要考慮兩個版圖的坐標(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)：針對一個集成電路版圖L，對L中的每一個版圖圖元應(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)：兩個集成電路版圖L₁和L₂，對任意的變換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，對任何一個非空集成電路版圖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)：兩個任意的兩個集成電路版圖L₁和L₂，有A(L₁，L₂)=A(L₂，L₁)。

    證明(略)

3 應(yīng)用實例

    本文首先考慮將上述版圖相似度模型應(yīng)用于簡單多邊形的情形。

    圖3為兩個簡單多邊形(實際上是矩形)，多邊形A的大小為10×10，多邊形B的大小為11×9。當(dāng)對多邊形A不斷應(yīng)用平移變換時，兩個多邊形的重疊量將不斷變大，從而計算出來的相似度不斷變大，圖4給出了不同平移變換下根據(jù)重疊量計算出來的相似度，可以看到：這兩個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MOS管的版圖示意圖。構(gòu)成這兩個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MOS管的孔間距及孔與多晶的間距也略有不同。當(dāng)對MOS管A不斷應(yīng)用平移變換時，兩個MOS管相對應(yīng)多邊形的重疊量將不斷變大，從而根據(jù)定義5計算出來的相似度不斷變大，圖6給出了不同平移變換下根據(jù)重疊量計算出來的相似度，可以看到：這兩個MOS管的最大相似度為84.5%。

    圖7(a)和圖7(b)為兩個相似度極高的比較器布圖設(shè)計示意圖。構(gòu)成這兩個比較器的多邊形數(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)對比較器A不斷應(yīng)用平移變換時，兩個比較器相對應(yīng)多邊形的重疊量將不斷變大，從而根據(jù)定義5計算出來的相似度不斷變大，最后計算結(jié)果：這兩個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有考慮版圖中不同版圖圖元的權(quán)重問題。在不同領(lǐng)域的版圖設(shè)計中，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，將集成電路版圖簡單地定義為全圖元集合E的一個子集，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。上述模型沒有將這些約束考慮在內(nèi)，其直接后果是計算出來的相似度結(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，任何兩個單柵并且柵兩邊均有三個接觸孔的MOS管版圖可能都具有較高的相似度，盡管兩個MOS管版圖的設(shè)計是完全獨立完成的。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)本模型實際上適用于兩個集成電路模塊的比較。當(dāng)集成電路版圖包含多個模塊時，要考慮將整個版圖先細(xì)分為模塊，然后對模塊應(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

    在實際應(yīng)用本文版圖相似度模型時，首先要對版圖數(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，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，不可能用手工的方式來應(yīng)用上述版圖相似度模型，必須開發(fā)軟件工具來自動計算兩個版圖的相似度。有如下一些考慮：

    (1)計算集成電路版圖在單射下的最大相似度是一個具有NP復(fù)雜度的算法。對兩個集成電路版圖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)量會成幾何級數(shù)增長。在實際應(yīng)用時，可采用貪心算法(greedy algorithm)：對版圖L₁中的每一個圖元，在L₂集合中找到與其重疊比例最大的同層圖元，并在這兩個圖元之間建立映射關(guān)系。采用貪心算法，可以將計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，但對大多數(shù)版圖，可以得到整體最優(yōu)解的近似解。

    (2)再計算不同變換下的平移。具體流程見圖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]到計算復(fù)雜性等方面的約束，HxComparator在計算不同單射下和不同變換下的最大相似度時，采用了性能優(yōu)化措施，從而使算法計算量顯著減低。該性能優(yōu)化可能使計算出來的相似度系統(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)