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设计
集成电路设计


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简介

集成电路设计(Integrated circuit design, IC design),亦可称之为超大规模集成电路设计(VLSI design),是指以集成电路、超大规模集成电路为目标的设计流程。集成电路设计涉及对电子器件(例如晶体管、电阻器、电容器等)、器件间互连线模型的建立。所有的器件和互连线都需安置在一块半导体衬底材料之上,这些组件通过半导体器件制造工艺(例如光刻等)安置在单一的硅衬底上,从而形成电路。

评判标准

种类

集成电路设计可以大致分为数字集成电路设计和模拟集成电路设计两大类。不过,实际的集成电路还有可能是混合信号集成电路,因此不少电路的设计同时用到这两种流程。

模拟集成电路设计

集成电路设计的另一个大分支是模拟集成电路设计,这一分支通常关注电源集成电路、射频集成电路等。由于现实世界的信号是模拟的,所以,在电子产品中,模-数、数-模相互转换的集成电路也有着广泛的应用。模拟集成电路包括运算放大器、线性整流器、锁相环、振荡电路、有源滤波器等。相较数字集成电路设计,模拟集成电路设计与半导体器件的物理性质有着更大的关联,例如其增益、电路匹配、功率耗散以及阻抗等等。模拟信号的放大和滤波要求电路对信号具备一定的保真度,因此模拟集成电路比数字集成电路使用了更多的大面积器件,集成度亦相对较低。

数字集成电路设计

粗略地说,数字集成电路可以分为以下基本步骤:系统定义、寄存器传输级设计、物理设计。而根据逻辑的抽象级别,设计又分为系统行为级、寄存器传输级、逻辑门级。设计人员需要合理地书写功能代码、设置综合工具、验证逻辑时序性能、规划物理设计策略等等。在设计过程中的特定时间点,还需要多次进行逻辑功能、时序约束、设计规则方面的检查、调试,以确保设计的最终成果合乎最初的设计收敛目标。

集成电路设计最常使用的衬底材料是硅。设计人员会使用技术手段将硅衬底上各个器件之间相互电隔离,以控制整个芯片上各个器件之间的导电性能。PN结、金属氧化物半导体场效应管等组成了集成电路器件的基础结构,而由后者构成的互补式金属氧化物半导体则凭借其低静态功耗、高集成度的优点成为数字集成电路中逻辑门的基础构造。设计人员需要考虑晶体管、互连线的能量耗散,这一点与以往由分立电子器件开始构建电路不同,这是因为集成电路的所有器件都集成在一块硅片上。金属互连线的电迁移以及静电放电对于微芯片上的器件通常有害,因此也是集成电路设计需要关注的课题。

随着集成电路的规模不断增大,其集成度已经达到深亚微米级(特征尺寸在130纳米以下),单个芯片集成的晶体管已经接近十亿个。由于其极为复杂,集成电路设计相较简单电路设计常常需要计算机辅助的设计方法学和技术手段。集成电路设计的研究范围涵盖了数字集成电路中数字逻辑的优化、网表实现,寄存器传输级硬件描述语言代码的书写,逻辑功能的验证、仿真和时序分析,电路在硬件中连线的分布,模拟集成电路中运算放大器、电子滤波器等器件在芯片中的安置和混合信号的处理。相关的研究还包括硬件设计的电子设计自动化(EDA)、计算机辅助设计(CAD)方法学等,是电机工程学和计算机工程的一个子集。

对于数字集成电路来说,设计人员更多的是站在高级抽象层面,即寄存器传输级甚至更高的系统级(有人也称之为行为级),使用硬件描述语言或高级建模语言来描述电路的逻辑、时序功能,而逻辑综合可以自动将寄存器传输级的硬件描述语言转换为逻辑门级的网表。对于简单的电路,设计人员也可以用硬件描述语言直接描述逻辑门和触发器之间的连接情况。网表经过进一步的功能验证、布局、布线,可以产生用于工业制造的GDSII文件,工厂根据该文件就可以在晶圆上制造电路。模拟集成电路设计涉及了更加复杂的信号环境,对工程师的经验有更高的要求,并且其设计的自动化程度远不及数字集成电路。

逐步完成功能设计之后,设计规则会指明哪些设计匹配制造要求,而哪些设计不匹配,而这个规则本身也十分复杂。集成电路设计流程需要匹配数百条这样的规则。在一定的设计约束下,集成电路物理版图的布局、布线对于获得理想速度、信号完整性、减少芯片面积来说至关重要。半导体器件制造的不可预测性使得集成电路设计的难度进一步提高。在集成电路设计领域,由于市场竞争的压力,电子设计自动化等相关计算机辅助设计工具得到了广泛的应用,工程师可以在计算机软件的辅助下进行寄存器传输级设计、功能验证、静态时序分析、物理设计等流程。

集成电路本质是由二极管和三极管组成,由这两个东西内部的电路的开、关组成各种电路,实现不同的功能。以计算机来说,就是拿好多二极管和三极管组成加法电路,控制开闭来实现不同的运算。至于怎么控制,请移步“基础软件开发”。如果计算机里有32个加法电路,那么这台计算机就是32位计算机;如果是64个加法电路,那么这台计算机就是64位计算机。

对于不同的设计要求,工程师可以选择使用半定制设计途径,例如采用可编程逻辑器件(现场可编程逻辑门阵列等)或基于标准单元库的专用集成电路来实现硬件电路;也可以使用全定制设计,控制晶体管版图到系统结构的全部细节。

全定制设计

这种设计方式要求设计人员利用版图编辑器来完成版图设计、参数提取、单元表征,然后利用这些自己设计的单元来完成电路的构建。通常,全定制设计是为了最大化优化电路性能。如果标准单元库中缺少某种所需的单元,也需要采取全定制设计的方法完成所需的单元设计。不过,这种设计方式通常需要较长的时间。

半定制设计

与全定制设计相对的设计方式为半定制设计。简而言之,半定制集成电路设计是基于预先设计好的某些逻辑单元。例如,设计人员可以在标准组件库(通常可以从第三方购买)的基础上设计专用集成电路,从中选取所需的逻辑单元(例如各种基本逻辑门、触发器等)来搭建所需的电路。他们也可以使用可编程逻辑器件来完成设计,这类器件的几乎所有物理结构都已经固定在芯片之中,仅剩下某些连线可以由用户编程决定其连接方式。[10]:9与这些预先设计好的逻辑单元有关的性能参数通常也由其供应商提供,以方便设计人员进行时序、功耗分析。

可编程逻辑器件

在半定制的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)上实现设计的优点是开发周期短、成本低。可编程逻辑器件通常由半导体厂家提供商品芯片,这些芯片可以通过JTAG等方式和计算机连接,因此设计人员可以用电子设计自动化工具来完成设计,然后将利用设计代码来对逻辑芯片编程。可编程逻辑阵列芯片在出厂前就提前定义了逻辑门构成的阵列,而逻辑门之间的连接线路则可以通过编程来控制连接与断开。随着技术的发展,对连接线的编程可以通过EPROM(利用较高压电编程、紫外线照射擦除)、EEPROM(利用电信号来多次编程和擦除)、SRAM、闪存等方式实现。现场可编程逻辑门阵列是一种特殊的可编程逻辑器件,它的物理基础是可配置逻辑单元,由查找表、可编程多路选择器、寄存器等结构组成。查找表可以用来实现逻辑函数,如三个输入端的查找表可以实现所有三变量的逻辑函数。

专用集成电路

针对特殊应用设计的专用集成电路(ASIC)的优点是面积、功耗、时序可以得到最大程度地优化。 专用集成电路只能在整个集成电路设计完成之后才能开始制造,而且需要专业的半导体工厂的参与。专用集成电路可以是基于标准单元库,也可以是全定制设计。在后一种途径中,设计人员对于晶圆上组件的位置和连接有更多的控制权,而不像可编程逻辑器件途径,只能选择使用其中部分硬件资源,从而造成部分资源被浪费。专用集成电路的面积、功耗、时序特性通常可以得到更好的优化。然而,专用集成电路的设计会更加复杂,并且需要专门的工艺制造部门(或者外包给晶圆代工厂)才能将GDSII文件制造成电路。一旦专用集成电路芯片制造完成,就不能像可编程逻辑器件那样对电路的逻辑功能进行重新配置。对于单个产品,在专用集成电路上实现集成电路的经济、时间成本都比可编程逻辑器件高,因此在早期的设计与调试过程中,常用可编程逻辑器件,尤其是现场可编程逻辑门阵列;如果所设计的集成电路将要在后期大量投产,那么批量生产专用集成电路将会更经济。

工作流程

组织结构

部门分工

人员分工

经营设计

需求分析

目标界定

总体结构设计

集成电路设计可以大致分为数字集成电路设计和模拟集成电路设计两大类。不过,实际的集成电路还有可能是混合信号集成电路,因此不少电路的设计同时用到这两种流程。

详细结构设计

参数设计

设计实施

原材料

主料

辅料

可选原料

设计和规划

位置与环境

投资与评估

规模与功能

风格与形式

成本

税费

金融成本

原材料成本

房租成本

能耗成本

人工成本

设备折旧

收益管理

消费曲线

时间分布

空间分布

目标群体

容量控制

风险控制

行业

国内市场

产量

消费量

国际市场

产量

消费量

主要公司

华为(HUAWEI)海思 豪威科技 紫光展锐 比特大陆 汇顶科技 芯成(ISSI) 华大半导体 敦泰科技 兆易创新 紫光国微

标准

这里存放条目相关的国家标准 * GB/T 9178-1988

  • GB 51122-2015 集成电路封装测试厂设计规范
  • GB/T 12842-1991
  • GB/T 14113-1993
  • GB/T 3430-1989
  • GB/T 3431.2-1986
  • IEC 60748-1: 1997
  • IEC 60748-2: 1997
  • IEC 60748-2-1: 1991
  • IEC 60748-2-2: 1992
  • IEC 60748-2-3: 1992

文档

这里存放于条目相关的其他文档

编辑成员
11 人

Pluto_cn, bian, 木又, 红砖, 劳伦斯, 您亲爱的沙雕网友, 颠覆者, 浪里白条, 九若离, 红豆奶油大冰棍儿, 卢本伟

评论(2)

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1720878461 2019-07-16 09:57:55
不是所有编辑权限都在所有人手里吗?
RedBrick 2019-05-19 19:55:54
这里的背景图有点不应景啊,应该以电路图而非程序代码图作为背景。
RedBrick 2019-05-19 19:55:54
这里的背景图有点不应景啊,应该以电路图而非程序代码图作为背景。
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