JP4638902B2 - 半導体素子、及びそのレイアウト方法 - Google Patents

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Description

本発明は、機能ブロックを接続する複数の配線を有する半導体素子、及びそのレイアウト方法に関するものである。
従来のバス配線を有する半導体素子においては、接続する機能ブロック間の配線抵抗、配線間容量を揃え易くするため、バス配線は同一の配線レイヤを用いて形成することによってバス配線内の配線長の差が大きくならないように設定し、同等の配線抵抗と配線間容量となるよう調整していた。
また、このような半導体素子では、配線の総数が倍になれば配線領域の面積は倍以上となってしまい、半導体回路の回路面積、特に配線領域の面積が大きくなってしまうことから、バス配線を複数層に割り当てて多層配線にてレイアウトすることが行われている。
例えば特許文献1には、バスラインを複数層に分けて配線する際、各ビット線の取り出し口を設けるため、各ビット線を奇数層又は偶数層に割り当てること、ビット線の上層又は下層を空けて配線することが開示されている。
特開平11−233637号公報
しかしながら、上述した従来の技術においては、単に配線総数を配線層に応じて均等に割り当て、多層配線とすることを開示するものであって、各配線層の配線幅や配線間隔が異なる場合においては、かかる方法によって割り当てることは、必ずしもレイアウト面積の縮小化及び配線抵抗、配線間容量の適性化には繋がらない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、各配線層の配線幅や配線間隔が異なる場合であっても、レイアウト面積の縮小化に寄与し、また、配線間容量を適切に調整する半導体素子及びそのレイアウト方法を提供するものである。
本発明は、上記課題を解決する半導体素子を提供する。本発明の半導体素子は、複数の電極パッドを有するパッド領域からなる第1の機能ブロックと第1の信号を出力する複数の第1の出力部、第2の信号を出力する複数の第2の出力部、及び第3の信号を出力する複数の第3の出力部を有するドライバセル領域からなる第2の機能ブロックとを接続し、複数の配線層上に形成される複数の配線を有する半導体素子であって、前記複数の配線層は、前記パッド領域と前記ドライバセル領域とを接続する配線領域に形成されるとともに各配線層毎に一定の配線幅と配線間隔とを有し、前記各配線層は、各配線層における前記配線幅と前記配線間隔との和についての単位長さ辺りの該配線の割合を前記各配線層の該配線の割合の総和で除算した値と前記複数の配線層の総和とを乗算することによって得られた値に基づいて、該得られた値が整数でない場合には、該各配線層での該得られた値の整数部分の総和と該配線の本数の総和との差の数だけ該各配線層での該得られた値のうち小数部分の大きい順に小数点以下を切り上げ、その他の配線層での該得られた値については小数点以下を切り捨てることによって得られた値に基づいて決定される本数の配線を有し、前記第1の出力部、前記第2の出力部、及び前記第3の出力部は、それぞれ異なる前記配線層に形成された前記配線に接続されて前記電極パッドに接続することを特徴としている。

これにより、本発明は、各配線層の配線幅や配線間隔が異なる場合であっても、レイアウト面積を縮小することができ、また、配線間容量を適切に調整することができる。
以下に、図1及び図2を参照して本発明による半導体素子及びそのレイアウト方法の実施例について説明する。
図1は実施例1のレイアウト方法によって設計された半導体素子の概略を示す説明図である。図2は図1のA−A´断面図である。
図1に示す本実施例の半導体素子は、第1の機能ブロック100と、第2の機能ブロック200と、第1の機能ブロック100と第2の機能ブロック200とを接続する複数の配線からなるバス配線が形成される配線領域300とにより構成される。
第1の機能ブロック100及び第2の機能ブロック200は、半導体素子の機能によって分けられた領域である。機能ブロックの例としては、ドライバLSIにおけるドライバセル領域、電極パッド領域や、データを保持するメモリ領域、演算を行う演算領域などが挙げられ、バス配線によって他の機能ブロックと接続される領域が該当する。なお、後述する適用例では、第1の機能ブロック100はドライバセル領域に対応し、第2の機能ブロック200は電極パッド領域に対応した例を用いて説明する。
配線領域300は、複数の配線層に形成され、第1の機能ブロック100と第2の機能ブロック200とを接続する複数の配線が形成される領域である。
各配線層には、一定の配線幅と配線間隔が設定されている。これは半導体プロセス上での制限やレイアウト設計における配線規則等によって決められた値である。
図2に示す本実施例の半導体素子の断面図は、A−A´での配線領域300の断面図を示している。
本実施例での配線領域300について、複数の配線層は、3層からなる配線層であって、最下層となる第1の配線層310、第1の配線層310上に設けられる第2の配線層320、第2の配線層320上に設けられる第3の配線層330からなる。このとき各配線層の配線幅及び配線間隔は、第1の配線層310は配線幅が3μm、配線間隔が3μm、第2の配線層320は配線幅が2μm、配線間隔が2μm、第3の配線層330は配線幅は1μm、配線間隔が1μmとして与えられる。
本実施例の図1及び図2では、第1の機能ブロック100と第2の機能ブロック200とを接続する配線が10本必要である場合を一例として示しており、このとき各層に割り当てられる配線の本数は、第1の配線層310が2本、第2の配線層320が3本、第3の配線層330が5本となっている。
ここで、図2に示す配線領域300に形成される複数の配線について、各配線層にどのように割り当てるかを説明する。すなわち、第1の配線層310には2本の配線を形成し、第2の配線層320には3本の配線を形成し、第3の配線層330には5本の配線を形成することを導き出した算出方法について説明する。
まず、各配線層についての配線幅と配線間隔との和を算出する。これは、配線1本を形成するときの必要幅である。次に、この値の逆数を取ることで単位幅あたりの配線の割合を求め、各層での単位幅あたりの配線の割合の和を算出する。次に、割り当てる配線の本数を求めたい配線層の単位幅あたりの配線の割合を、先に算出した各層での単位幅あたりの配線の割合の和で除算する。さらに除算した値に全体としての配線の総数を乗算することによって、割り当てる配線の本数を求めたい配線層の配線本数を算出する。このようにして得られた値に基づいて、各配線層において何本配線を割り当てるかを決定する。
上述のように、本実施例では、各配線層における配線幅及び配線間隔は、第1の配線層310においては3μm及び3μm、第2の配線層320においては2μm及び2μm、第3の配線層330においては1μm及び1μmとなっている。具体的に算出すると、第1の配線層310、第2の配線層320、及び第3の配線層330での単位幅あたりの配線の割合はそれぞれ0.17、0.25、及び0.5となり、各配線層での単位幅あたりの配線の割合の和は、0.92となる。第1の配線層310に割り当てられる配線の本数は、第1の配線層310での単位幅あたりの配線の割合を各層での単位幅あたりの配線の割合の合計の和で除算し、配線の総数を乗算することにより、1.8と算出される。第2の配線層320及び第3の配線層330においても同様にして、2.7及び5.4と算出される。
このとき、算出した値が整数であるならば算出された値が各配線層に割り当てられる配線の本数となる。しかしながら、上述のように必ずしも算出される値が整数になるわけではなく、その場合にはそれらの数値を調整していくことが必要となる。得られた値が整数ではない場合については、得られた数値の整数部分の和と配線の総数との差を算出し、差となる本数分について小数点以下の値の大きい順に切り上げ、それ以外は小数点以下を切り捨てる。
上述のように第1の配線層310、第2の配線層320、及び第3の配線層330の算出された値がそれぞれ、1.8、2.7、及び5.4となった場合には、整数部分の和と配線の総数との差から、差となる本数が2本であるとして、小数点以下の値の大きい順に2つ、すなわち、1.8及び2.7について小数点以下を切り上げてそれぞれ2及び3とし、5.4については小数点以下を切り捨てて5とする。このようにして、得られた値が整数でない場合であっても整数値に調整することができ、これによって第1の配線層310、第2の配線層320、及び第3の配線層330に割り当てられる本数を2本、3本、及び5本と導き出すことができる。
このように各配線層に割り当てられる配線の本数を決めることによって、各配線層の配線幅と配線間隔が異なる場合であっても、各配線層に適切に配線を割り当てることができ、レイアウトの面積を縮小することができる。また、このとき、配線幅及び配線間隔を配線層が可能な最小配線幅及び最小配線間隔とすることで、よりレイアウトの面積を縮小することができる。
次に、図3を用いて、実施例1のレイアウト方法を実現するためのフローチャートについて説明する。
図3に示す実施例1のフローチャートは、バス配線認識ステップ410、機能ブロック領域抽出ステップ420、バス配線分割規則作成ステップ430、配線経路定義ステップ440、バス配線分割ステップ450、配線生成ステップ460からなる。
まず、バス配線認識ステップ410にて、本実施例における半導体回路のネットリスト411を入力し、バス配線として扱う必要がある接続関係の配線を抽出してバス配線データ412を生成する。
次に、機能ブロック領域抽出ステップ420にて、機能ブロックが配置される位置等の情報を有する機能ブロック配置データ421から、バス配線データ412と接続される機能ブロックのピンの位置座標及びピン形状の情報を取り出し、バス配線の始点及び終点の位置を認識するためのピン位置データ422を生成する。また、機能ブロック配置データ421から、機能ブロック内の配線領域に基づいてバス配線に用いる配線層の図形のみを取り出し、バス配線を形成できない領域の情報としての配線禁止領域データ423を生成する。
次に、バス配線分割規則作成ステップ430にて、各バス配線に対して配線層データ431から各配線層に割り当てるバス配線の本数を算出する。配線層データ431には各配線層の構造、各配線層に形成可能な最小配線幅及び最小配線間隔等の情報が与えられている。バス配線の本数の算出結果に基づいて、各配線層に割り当てられたバス配線の本数をバス配線分割規則データ432として出力する。なお、算出の具体的方法については後述する。
以降のステップである、バス配線経路定義ステップ440、バス配線分割ステップ450、及びバス配線生成ステップ460の各ステップは、バス配線の本数が多い配線層から順番に行われ、バス配線データ412で与えられる全てのバス配線に対して行われる。
配線経路定義ステップ440では、バス配線データ412、ピン位置データ422、配線禁止領域データ423、及びバス配線分割規則データ432を入力し、各配線層に割り当てられた配線本数及び最小配線幅、最小配線間隔から各配線層でのバス配線幅を算出する。各配線層のバス配線幅のうち最も大きい値をバス配線全体に必要な最小のバス配線幅とし、最小のバス配線幅を基準として配線禁止領域を避けつつ最も配線長が短くなるようにバス配線の経路が決定される。このようにしてバス配線経路データ441を生成する。
次に、バス配線分割ステップ450にて、バス配線分割規則データ432に基づいてバス配線を各配線層毎に割り当てるために、バス配線に接続される機能ブロックのピンを各配線層に割り当て、同一の配線層に割り当てられたピンをバス配線グループ451として定義する。
機能ブロックのピンの割り振りは、任意に設定することができる。例えばある機能ブロックの複数のピンを端のピンから順番に各配線層に割り当てることや、配線層毎に連続して割り当てることなど、種々の設定が可能である。
次に、バス配線生成ステップ460にて、ピン位置データ422、バス配線経路データ432、及びバス配線グループ451に基づき、各配線層のバス配線を重ねてバス配線を形成する。
これらのステップを各配線層にて行うことによってバス配線を多層配線によって形成することができる。
ここで、バス配線分割規則作成ステップでの各配線層へ割り当てるバス配線の本数の算出方法について説明する。
機能ブロック100と機能ブロック200とを接続するために必要なバス配線の総本数をXとし、配線層の総数をm層とする。また、最も下層となる配線層を第1の配線層として、第1の層からn番目の層となる第nの配線層での最小配線幅をan、最小配線間隔をbnとする。このとき、第nの配線層に割り当てられるバス配線の本数xnは、数1の式に各値を代入することによって与えられる。
Figure 0004638902
また、数1の式によって与えられた値が整数ではない場合については、それぞれの値を整数に調整する必要がある。この場合、調整する方法としては、小数点第1位を四捨五入する方法や、一番下側に位置する配線層から順次小数点以下を切り上げて総本数を合わせる方法、配線幅と配線間隔との和が一番小さい配線層から順次小数点以下を切り上げて総本数を合わせる方法などが挙げられる。このとき、与えられた数値の整数部分の和とバス配線の総本数Xとの差を求め、差となる本数分について小数点以下の値の大きい順に与えられた数値の小数点以下の値を切り上げ、それ以外は小数点以下の値を切り捨てることによって各数値を整数値に調整する方法を用いることによって、単位幅あたりの配線の占める割合に応じた調整をすることが可能となり、かかる方法を用いることによってレイアウト面積の縮小化に寄与することができる。
なお、前述の半導体素子の構造での説明における、各配線層に割り当てられるバス配線の本数は、バス配線の総本数を10本、配線層の総数を3層、第1の配線層の最小配線幅を3μm、最小配線間隔を3μmとし、第2の配線層の最小配線幅を2μm、最小配線間隔を2μmとし、第3の配線層の最小配線幅を1μm、最小配線間隔を1μmとして数1の式を用いて算出したものである。
このように、各配線層にそれぞれ最小配線幅及び最小配線間隔が設定されている場合においても各配線層に割り当てられるバス配線の本数の算出方法を定式化することによってバス配線の配線本数について自動最適化を図ることができる。このようにして、バス配線の総数、配線層の総数、各配線における最小配線幅及び最小配線間隔について異なる条件が与えられた場合であってもその都度、設計者の知識、経験に基づいて各配線層に割り当てられるバス配線の本数、得られたバス配線幅から経路を設定する等の回路設計を行うことが不要となり、設計工数を減少させることが可能となる。
本実施例においては、バス配線の本数については複数のバス配線を一つの多層配線グループにする場合について説明したが、これに関わらず、複数のバス配線を複数の多層配線グループにまとめる場合の個々の多層配線グループについても本発明を適用することが可能である。
(本発明の第1の実施例の適用例)
次に、本発明を駆動回路に適用した場合の適用例について図4乃至図7を用いて説明する。図4は駆動回路500についての概略を示した図であり、図5は、図4における円形の破線で囲まれた領域Bの部分拡大図であり、図6は、図5におけるC−C´断面であり、図7は、図4における円形の破線で囲まれた領域Dの部分拡大図である。
図4に示す本発明の適用例は、駆動回路500について開示するものであって、ドライバセル領域510とドライバセル領域510を囲む配線領域520と配線領域520を囲むパッド領域530とにより区画されている。
ドライバセル領域510は、ビットセル等の回路素子や階調補正用抵抗などが形成される(図示せず)とともに、それらと電気的に接続されるピン511が形成された領域であり、前述の機能ブロック100に対応する領域である。ドライバセル領域は方形状に画成され、その一つの辺側から入力信号が入力され、その他の辺側から出力信号が出力される。
配線領域520は、バス配線521が形成された領域であり、前述の配線領域300に対応する領域である。バス配線521は、複数の配線層に形成された複数の配線を有している。配線領域520は、パッド領域530を介して出力信号を外部へ出力するためのバス配線521が形成される第1の配線領域522と、外部からパッド領域530を介して入力信号を入力するためのバス配線521が形成される第2の配線領域523とを有している。
パッド領域530は、外部パッケージ等に接続される電極パッド531が配列された領域であり、前述の機能ブロック200に対応する領域である。
図5は、図4における破線で囲まれた領域Bの部分拡大図であり、図6は、図5におけるC−C´での断面図である。図5にはドライバセル領域510における図示しない回路素子等に電気的に接続され、生成された信号をバス配線521に出力する出力部としてのピン511と、バス配線521と、ピン511とバス配線521とを電気的に接続する第1の導電部512とが開示されている。
バス配線521は、図6に示すとおり、複数の配線層に形成された複数の配線を有している。配線層は最下層となる第1の配線層610と、第1の配線層610上に形成される第2の配線層620と、第2の配線層620上に形成された第3の配線層630から構成されている。
第1の導電部512は、図5に示すとおり、ピン511から配線領域520へ延在する第1の引き出し配線513と、第1の引き出し配線513とバス配線521を構成する配線とを接続する第1の接続部514とからなる。第1の引き出し配線513は、図6に示す第1の配線層610、第2の配線層620、及び第3の配線層630のいずれかの配線層に形成されてもよく、さらにその他の層に形成されてもよい。第1の引き出し配線513と第1乃至第3の配線層に形成される配線とは第1の接続部514によって接続されるが、第1の接続部514は接続すべき配線層まで一括にコンタクトホール等で導通させてもよく、各配線層に順次ビアホール等を形成して導通させてもよい。
ドライバセル領域510に形成される出力信号を出力するピン511は、ドライバセル領域510内に形成される図示しない回路素子からの信号を出力する。このとき出力信号を出力するピン511は、RGB信号、すなわち、R信号、G信号、及びB信号などを出力する。
ここで、出力信号と各配線層に形成された配線との関係について説明する。例えば同じR信号、G信号、及びB信号を出力するピン511については同じ配線層に形成された配線に接続することが好適である。例えばR信号については第1の配線層610に、G信号については第2の配線層620に、及びB信号については第3の配線層630にそれぞれ形成された配線に接続することによってバス配線521を構成することができる。バス配線521の各配線層に形成された配線をこのように接続することによって、RGBそれぞれの信号について独立に抵抗調整を行うことができ、それぞれの信号毎に出力動作のタイミングを調整することが可能となる。すなわち、RGBいずれかの信号が遅延等により出力動作のタイミングがずれてしまう不具合が発生した場合であっても、内部回路そのものについての調整をすることなく、バス配線のレイアウトを調整することでより簡単に出力動作のタイミングを調整することが可能となる。このとき、R信号、G信号、及びB信号を出力するピン511の配列としては、例えばR信号を出力するピン511の隣にG信号を出力するピン511を配置し、G信号を出力するピン511の隣にB信号を出力するピン511を配置し、B信号を出力するピン511の隣にR信号を出力するピン511を配置するように、同じ種類の信号を出力するピンが2つおきに配置されるようにすることが望ましい。このように配列することによって、同じ配線層に設けられた配線に接続させるための第1の導電部512について、例えば引き出し配線513の形状や、第1の接続部514の大きさ、個数などにより抵抗の調整が可能になるなどの設計自由度を高めることができる。
さらに、RGB信号が出力されるピン511の配列について、R信号を出力するピン511の隣にG信号を出力するピン511を配置し、G信号を出力するピン511の隣にB信号を出力するピン511を配置し、B信号を出力するピン511の隣にR信号を出力するピン511を配置することを繰り返し、3つのピンを一つの組としてRGB信号が規則的に配列されるものであるときは、例えば一つの信号だけを見た場合に、一つおきの組の同じ出力の信号が同じ配線層の配線に接続されるようにしてもよい。具体的には、例えば、一つおきの組のR信号を第1の配線層610に、一つおきの組のG信号を第2の配線層620に、一つおきの組のB信号を第3の配線層630に、それぞれ形成される配線に接続するようにしても良い。同じ極性のRGB信号を同じ配線層に形成された配線に接続することによって、隣接するRGB信号の組がそれぞれ逆極性を有する信号を出力する場合であっても、逆極性のRGB信号を同じ配線層に隣接して配置した場合に比べ、配線間容量を小さくすることができ、信号の遅延を防止することができる。また、配線間に接地電位となる配線を形成することによっても配線間の特性の影響を抑えることができる。なお、極性の異なるR信号、G信号、B信号についても、同様にRGB信号毎に同じ配線層に形成される配線に接続するようにすれば良い。このとき、それぞれの同じ信号の組はそれぞれ異なる配線層に形成された配線に形成されるようにするか、異なるバス配線として、同じ配線層であっても充分離間して設けるようにする。
図7は、図4における破線で囲まれた領域Dの部分拡大図である。図7にはパッド領域530に形成された電極パッド531と、バス配線521と、電極パッド531とバス配線521とを電気的に接続する第2の導電部532とが開示されている。
第2の導電部532は、電極パッド531から配線領域520へ延在する第2の引き出し配線533と、第2の引き出し配線533とバス配線を構成する配線とを接続する第2の接続部534とからなる。第2の引き出し配線533は、第1の引き出し配線513と同様に第1乃至第3の配線層のいずれかの配線層に形成されてもよく、その他の層に形成されてもよい。また、第2の接続部534は、第1の接続部514と同様にバス配線を構成する配線と接続するが、このとき一括にコンタクトホール等で導通させてもよく、各配線層に順次ビアホール等を形成して導通させてもよい。
このような駆動回路500においても配線521について、本実施例にて説明した多層配線を用いることができる。これによって、バス配線のレイアウト面積を抑えることができるとともに、配線間での配線間容量を抑え、配線遅延を防止することが可能となる。このとき、RGB信号を伝送する配線について他の信号を伝送する配線よりも優先的に本実施例の多層配線を適用することによって、各配線層に接続する配線の組み合わせによる配線間容量を抑え、遅延を防止するとともに、レイアウト面積の縮小を達成することができる。
第1の実施例における半導体素子の概略を示す図 図1におけるA−A´での断面図 第1の実施例における半導体素子のレイアウト方法のフローチャートを示す図 第1の実施例を適用した駆動回路の概略図 図4における領域Bの部分拡大図 図5におけるC−C´での断面図 図4における領域Dの部分拡大図
符号の説明
100 第1の機能ブロック
200 第2の機能ブロック
300 配線領域
310、610 第1の配線層
320、620 第2の配線層
330、630 第3の配線層
500 駆動回路
510 ドライバセル領域
511 ピン
512 第1の導電部
513 第1の引き出し配線
514 第1の接続部
520 配線領域
521 バス配線
522 第1の配線領域
523 第2の敗戦領域
530 パッド領域
531 電極パッド
532 第2の導電部
533 第2の引き出し配線
534 第2の接続部

Claims (6)

  1. 複数の電極パッドを有するパッド領域からなる第1の機能ブロックと第1の信号を出力する複数の第1の出力部、第2の信号を出力する複数の第2の出力部、及び第3の信号を出力する複数の第3の出力部を有するドライバセル領域からなる第2の機能ブロックとを接続し、複数の配線層上に形成される複数の配線を有する半導体素子であって、
    前記複数の配線層は、前記パッド領域と前記ドライバセル領域とを接続する配線領域に形成されるとともに各配線層毎に一定の配線幅と配線間隔とを有し、
    前記各配線層は、各配線層における前記配線幅と前記配線間隔との和についての単位長さ辺りの該配線の割合を前記各配線層の該配線の割合の総和で除算した値と前記複数の配線層の総和とを乗算することによって得られた値に基づいて、該得られた値が整数でない場合には、該各配線層での該得られた値の整数部分の総和と該配線の本数の総和との差の数だけ該各配線層での該得られた値のうち小数部分の大きい順に小数点以下を切り上げ、その他の配線層での該得られた値については小数点以下を切り捨てることによって得られた値に基づいて決定される本数の配線を有し、
    前記第1の出力部、前記第2の出力部、及び前記第3の出力部は、それぞれ異なる前記配線層に形成された前記配線に接続されて前記電極パッドに接続する
    ことを特徴とする半導体素子。
  2. 請求項1に記載の半導体素子において、
    前記配線幅及び配線間隔は、前記各層における最小配線幅及び最小配線間隔であることを特徴とする半導体素子。
  3. 請求項1又は2のいずれか一つに記載の半導体素子において、
    前記第1の出力部、前記第2の出力部、及び前記第3の出力部は前記ドライバセル領域の端部に沿って配列され、
    前記第1の出力部に隣接して前記第2の出力部が、該第2の出力部に隣接して前記第3の出力部が、該第3の出力部に隣接して該第1の出力部が配列されることを特徴とする半導体素子。
  4. 第1の機能ブロックと第2の機能ブロックとを複数の配線層上に形成される複数の配線によって接続するレイアウト方法であって、
    前記複数の配線層は、各配線層毎に一定の配線幅と配線間隔とを有し、
    前記各配線層は、各配線層における前記配線幅と前記配線間隔との和についての単位長さ辺りの該配線の割合を前記各配線層の該配線の割合の総和で除算した値と前記複数の配線の総数とを乗算することによって得られた値に基づいて該配線層に形成される配線の本数を決定することを特徴とするレイアウト方法。
  5. 請求項4に記載のレイアウト方法において、
    前記得られた値が整数でない場合には、前記各配線層での該得られた値の整数部分の総和と前記配線本数の総和との差の数だけ該各配線での該得られた値のうち小数部分の大きい順に小数点以下を切り上げ、その他の配線層での該得られた値については小数点以下を切り捨てることによって得られた値に基づいて各配線層での配線の本数を決定することを特徴とするレイアウト方法。
  6. 請求項4又は請求項5に記載のレイアウト方法において、
    前記配線幅及び配線間隔は、前記各層における最小配線幅及び最小配線間隔であることを特徴とするレイアウト方法。
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