数字集成电路设计流程.ppt

数字集成电路设计流程,一、集成电路设计介绍,什么是集成电路？(相对分立器件组成的电路而言)把组成电路的元件、器件以及相互间的连线放在单个芯片上，整个电路就在这个芯片上，把这个芯片放到管壳中进行封装，电路与外部的连接靠引脚完成。什么是集成电路设计？根据电路功能和性能的要求，在正确选择系统配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下，尽量减小芯片面积，降低设计成本，缩短设计周期，以保证全局优化，设计出满足要求的集成电路。,1.1 集成电路的发展历程 1947年12月Bell实验室肖克莱、巴丁、布拉顿发明了第一只点接触金锗晶体管，1950年肖克莱、斯帕克斯、迪尔发明单晶锗NPN结型晶体管。52年5月英国皇家研究所的达默提出集成电路的设想。58年德克萨斯仪器公司基尔比为首的小组研制出第一块由12个器件组成的相移振荡和触发器集成电路。这就是世界上最早的集成电路，也就是现代集成电路的雏形或先驱。,集成电路的发展除了物理原理外还得益于许多新工艺的发明：50年美国人奥尔和肖克莱发明的离子注入工艺；56年美国人富勒发明的扩散工艺；60年卢尔和克里斯坦森发明的外延生长工艺；60年kang和Atalla研制出第一个硅MOS管；70年斯皮勒和卡斯特兰尼发明的光刻工艺等等，使晶体管从点接触结构向平面结构过渡并给集成电路工艺提供了基本的技术支持。因此，从70年代开始，第一代集成电路才开始发展并迅速成熟。此后40多年来，IC经历了从SSI(Small Scale ntegreted)-MSI-LSI-VLSI-ULSI的发展历程。现在的IC工艺已经接近半导体器件的极限工艺。以CMOS数字IC为例，在不同发展阶段的特征参数见表11。,表1-1 集成电路不同发展阶段的特征参数主要特征,1.2 集成电路的分类 可以按器件结构类型、集成电路规模、使用基片材料、电路功能以及应用领域等方法划分。双极型 TTL ECL NMOS 单片IC MOS型 PMOS CMOS BiCMOS按结构分类 BiMOS BiCMOS 混合IC 厚膜混合IC 薄膜混合IC,按规模分类 SSI/MSI/LSI/VLSI/ULSI/GSI 组合逻辑电路 数字电路 时序逻辑电路 按功能分类 模拟电路 线性电路 非线性电路 数模混合电路,集成电路的设计过程：设计创意+仿真验证,功能要求,行为设计（VHDL）,Sing off,设计业,设计的基本过程（举例）功能设计 逻辑和电路设计 设计验证 版图设计集成电路设计的最终输出是掩膜版图，通过制版和工艺流片可以得到所需的集成电路。设计与制备之间的接口：版图,集成电路设计与制造的主要流程框架,1.3 IC的设计手段 一、设计手段的演变过程 IC的设计方法和手段经历了几十年的发展演变，从最初的全手工设计发展到现在先进的可以全自动实现的过程。这也是近几十年来科学技术，尤其是电子信息技术发展的结果。从设计手段演变的过程划分，设计手段经历了手工设计、计算机辅助设计（ICCAD）、电子设计自动化EDA、电子系统设计自动化ESDA以及用户现场可编程器阶段。,1原始手工设计：设计过程全部由手工操作，从设计原理图，硬件电路模拟，到每个元器件单元的集成电路版图设计，布局布线直到最后得到一套集成电路掩膜版，全部由人工完成。设计流程为：设计原理图，硬件电路，电路模拟，元器件版图设计，版图布局布线，（分层剥离，刻红膜，初缩精缩，分步重复）制版，流片，成品。,2计算机辅助设计：从70年代初开始，起初仅仅能够用个人计算机辅助输入原理图，接着出现SPICE电路模拟软件，逐渐开始ICCAD的发展，后来越来越多的计算机辅助设计软件，越来越强的计算机辅助设计功能，不但提供了先进的设计方法和手段，更推动ICCAD技术向自动化设计发展。初期的ICCAD功能较少，只能对某些功能进行辅助设计，现在利用计算机辅助设计可以实现的功能大致包括：电路或系统设计，逻辑设计，逻辑、时序、电路模拟，版图设计，版图编辑，反向提取，规则检查等等。,3用计算机辅助工程CAE的电子设计自动化EDA：CEA配备了成套IC设计软件，为IC设计提供了完备、统一、高效的工作平台。使利用EDA设计LSI和VLSI成为可能。ICCAD和EDA以及半导体集成电路技术的发展使IC设计发生两个质的飞跃：（1）版图设计方面：除了传统的人机交互式方法对全定制版图进行编辑、绘图外，定制，半定制设计思想的确立使自动半自动布局成为可能。（2）逻辑设计方面：逻辑综合软件的开发，使系统设计者只要用硬件描述语言（如VHDL语言）给出系统行为级的功能描述，就可以由计算机逻辑综合软件处理，得到逻辑电路图或网表，优化了逻辑设计结果。EDA设计流程：系统设计，功能模拟，逻辑综合，时序模拟，版图综合，后模拟。,4电子系统设计自动化ESDA ESDA的目的是为设计人员提供进行系统级设计的分析手段，进而完成系统级自动化设计，最终实现SOC芯片系统。但ESDA仍处于发展和完善阶段，尚需解决建立系统级仿真库和实现不同仿真工具的协同模拟。利用ESDA工具完成功能分析后，再用行为级综合工具将其自动转化成可综合的寄存器级RTL的HDL描述，最后就可以由EDA工具实现最终的芯片设计。ESDA的流程：系统设计，行为级模拟，功能模拟，逻辑综合，时序模拟，版图综合，后模拟。然后由生产厂家制版，流片，成品。,5可编程器件的ASIC设计 可编程ASIC是专用集成电路发展的另一个有特色的分支，它主要利用可编程的集成电路如PROM,GAL,PLD,CPLD,FPGA等可编程电路或逻辑阵列编程，得到ASIC。其主要特点是直接提供软件设计编程，完成ASIC电路功能，不需要再通过集成电路工艺线加工。可编程器件的ASIC设计种类较多，可以适应不同的需求。其中的PLD和FPGA是用得比较普遍得可编程器件。适合于短开发周期，有一定复杂性和电路规模的数字电路设计。尤其适合于从事电子系统设计的工程人员利用EDA工具进行ASIC设计。,1.4 ASIC设计方法：集成电路制作在只有几百微米厚的原形硅片上，每个硅片可以容纳数百甚至成千上万个管芯。集成电路中的晶体管和连线视其复杂程度可以由许多层构成，目前最复杂的工艺大约由6层位于硅片内部的扩散层或离子注入层，以及6层位于硅片表面的连线层组成。就设计方法而言，设计集成电路的方法可以分为全定制、半定制和可编程IC设计三种方式。,1.4.1全定制设计简述 全定制ASIC是利用集成电路的最基本设计方法（不使用现有库单元），对集成电路中所有的元器件进行精工细作的设计方法。全定制设计可以实现最小面积，最佳布线布局、最优功耗速度积，得到最好的电特性。该方法尤其适宜于模拟电路，数模混合电路以及对速度、功耗、管芯面积、其它器件特性（如线性度、对称性、电流容量、耐压等）有特殊要求的场合；或者在没有现成元件库的场合。特点：精工细作，设计要求高、周期长，设计成本昂贵。由于单元库和功能模块电路越加成熟，全定制设计的方法渐渐被半定制方法所取代。在现在的IC设计中，整个电路均采用全定制设计的现象越来越少。,全定制设计要求：全定制设计要考虑工艺条件，根据电路的复杂和难度决定器件工艺类型、布线层数、材料参数、工艺方法、极限参数、成品率等因素。需要经验和技巧，掌握各种设计规则和方法,一般由专业微电子IC设计人员完成；常规设计可以借鉴以往的设计，部分器件需要根据电特性单独设计；布局、布线、排版组合等均需要反覆斟酌调整，按最佳尺寸、最合理布局、最短连线、最便捷引脚等设计原则设计版图。版图设计与工艺相关，要充分了解工艺规范，根据工艺参数和工艺要求合理设计版图和工艺。,1.4.2.半定制设计方法简述 半定制设计方法又分成基于标准单元的设计方法和基于门阵列的设计方法。基于标准单元的设计方法是：将预先设计好的称为标准单元的逻辑单元，如与门，或门，多路开关，触发器等，按照某种特定的规则排列，与预先设计好的大型单元一起组成ASIC。基于标准单元的ASIC又称为CBIC(Cell based IC)。基于门阵列的设计方法是在预先制定的具有晶体管阵列的基片或母片上通过掩膜互连的方法完成专用集成电路设计。半定制主要适合于开发周期短，低开发成本、投资、风险小的小批量数字电路设计。,1.4.3 基于标准单元的设计方法 该方法采用预先设计好的称为标准单元的逻辑单元，如门电路、多路开关、触发器、时钟发生器等，将它们按照某种特定的规则排列成阵列，做成半导体门阵列母片或基片，然后根据电路功能和要求用掩膜版将所需的逻辑单元连接成所需的专用集成电路。单元库中所有的标准单元均采用定制方法预先设计，如同搭积木或砌墙一样拼接起来，通常按照等高不等宽的原则排列，留出宽度可调的布线通道。,CBIC的主要优、缺点：用预先设计、预先测试、预定特性的标准单元库，省时、省钱、少风险地完成ASIC设计任务。设计人员只需确定标准单元的布局以及CBIC中的互连。标准单元可以置放于芯片的任何位置。所有掩膜层是定制的；可内嵌定制的功能单元；制造周期较短，开发成本不是太高。需要花钱购买或自己设计标准单元库；要花较多的时间进行掩膜层的互连设计。具有一个标准单元区与4个固定功能块的基于单元的ASIC示意图见图1.2。,CBIC的设计和版图规则：版心面积较小，无冗余元件，但建库工作量大，所有掩膜层需定制，晶体管和互连由定制方法连接；可以内嵌定制的功能块；制造周期较短。标准单元的版图结构见图1.3，两层金属的布局及布线见图1.4。单元按等高不等宽的方式排列成行，行间留出布线通道，金属1和金属2采取互相垂直运行。上方和下方的最底层金属分别为VDD和GAN(VSS)。在n阱区内进行P扩散形成P沟MOS器件，在P阱区扩散N型N形成MOS器件。MOS器件的源漏之间采用金属栅或者多晶栅。源、漏（栅）开引线孔，经金属线互连构成电路。各单元与其它单元之间通过中心连接点的引线孔连接。在采用多层金属的结构中，金属层之间的连接也是通过特定的过孔实现。,图1.3 标准单元的版图结构,1.4.4 基于门阵列的ASIC 门阵列是将晶体管作为最小单元重复排列组成基本阵列，做成半导体门阵列母片或基片，然后根据电路功能和要求用掩膜版将所需的逻辑单元连接成所需的专用集成电路。用门阵列设计的ASIC中，只有上面几层用作晶体管互连的金属层由设计人员用全定制掩膜方法确定，这类门阵列称为掩膜式门阵列MGA（masked gate array）。门阵列中的逻辑单元称为宏单元，其中每个逻辑单元的基本单元版图相同，只有单元内以及单元之间的互连是定制的。客户设计人员可以从门阵列单元库中选择预先设计和预定特性逻辑单元或宏单元，进行定制的互连设计。门阵列主要适合于开发周期短，低开发成本的小批量数字电路设计。,MGA门阵列可以分为：通道式门阵列基本单元行与行之间留有固定的布线通道，只有互连是定制的。无通道门阵列（门海）无预留的布线区，在门阵列掩膜层上面布线。结构式门阵列结合CBIC和MGA的特点，除了基本单元阵列外，还有内嵌的定制功能模块。芯片效率高，价格较低，设计周期短。由于MGA的门阵基本单元是固定的，不便于实现存储器之类的电路。在内嵌式门阵列中，留出一些IC区域专门用于实现特殊功能。利用该内嵌区域可以设计存储器模块或其它功能电路模块。,1.4.5.可编程ASIC 可编程逻辑器件（PLD，programable logic device）是一类标准的通用IC，对这类器件编程也可以实现ASIC功能。可编程逻辑器件的特点是：无定制掩膜层或逻辑单元 设计周期短 单独的大块可编程互连 由可编程阵列逻辑，触发器或锁存器组成逻辑宏单元矩阵。适合于短开发周期，有一定复杂性和电路规模的数字电路设计。尤其适合于从事电子系统设计的工程人员利用EDA工具进行ASIC设计。,常用可编程器件类型：各类可编程只读存储器PROM（programable read-only memory）；通用阵列逻辑GAL（generic array logic）可编程逻辑阵列PLA（programable logic array）,由固定“或”阵列和可编程“与”阵列组成，熔丝型。可编程阵列逻辑PAL（programable array logic）,由固定“与”阵列和可编程“或”阵列组成，有熔丝型和可擦写。可编程逻辑器件PLD（programable logic device）和复杂的可编程逻辑器件CPLD。适合于短开发周期，有一定复杂性和电路规模的数字电路设计。尤其适合于从事电子系统设计的工程人员利用EDA工具进行ASIC设计。,1.4.6 现场可编程门阵列FPGA FPGA比PLD更大、更复杂，并具有现场可编程特性。其基本特点：无定制掩膜层 基本逻辑单元和互连采用编程的方法实现 核心电路是规则的可编程基本逻辑单元阵列，可以实现组合逻辑和时序逻辑 基本逻辑单元被可编程互连矩阵包围 可编程I/O单元围绕着核心电路 设计的ASIC一般都有冗余问题 设计周期很短，但单片电路价格较高 FPGA具有不同容量的系列产品，容量有万门级、十万门级、百万门级等多种。,FPGA的转换,FPGA转换到门阵列，降低价钱 网表转换，用布局布线后提出的网表及库单元映射 时序一致性 门阵列芯片的可测性（FPGA母片经过厂家严格测试）管脚的兼容性 多片FPGA向单片门阵列转换,兼容设计方法,不同的设计方法有各自的优势，如果把它们优化组合起来，则有望设计出性能良好的电路。以微处理器为例数据逻辑：位片式或阵列结构网络，图形重复多：BBL方法，ALU、移位器、寄存器等作为单元进行人工全定制设计 随机控制逻辑：差别较大，SC或PLA方法实现 存储器：ROM或RAM实现,1.5 设计流程图例 ASIC设计流程是指从电路输入到完成版图设计直到完成后仿真的整个过程：1.设计输入 采用硬件描述语言（HDL）或电路图的输入方式输入电路原理图；2.逻辑综合采用HDL和逻辑综合工具产生网表，说明各逻辑单元的连接关系。3.系统划分将大系统划分成若干个ASIC模块。4.布图前仿真检查设计功能是否正确。5.布图规则在芯片上排列网表的模块。6.布局决定模块中单元的位置。7.布线单元与模块之间连线。8.提取确定互连的电阻和电容。9.布图后仿真检查加上互连线负载后的电路设计效果。,1.6 ASIC成本评述 IC设计需要根据电路功能和性能要求，选择电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则，尽量减小芯片面积、降低设计成本、缩短设计周期，最终设计出正确、合理的掩膜版图，通过制版和工艺流片得到所需的集成电路。从经济学的角度看，ASIC的设计要求是在尽可能短的设计周期内，以最低的设计成本获得成功的ASIC产品。但是，由于ASIC的设计方法不同，其设计成本也不同。,全定制设计周期最长，设计成本贵，设计费用最高，适合于批量很大或者对产品成本不计较的场合。半定制的设计成本低于全定制，但高于可编程ASIC，适合于有较大批量的ASIC设计。用FPGA设计ASIC的设计成本最低，但芯片价格最高，适合于小批量ASIC产品。现在的大部分ASIC设计都是以半定制和FPGA形式完成的，所以我们仅就具有可比性的FPGA、MGA和CBIC的设计成本进行比较、分析。,1.6.1 ASIC工艺成本比较 半定制和FPGA可编程ASIC设计的元件成本比较：CBIC元件成本 MGA FPGA 按照一般的工艺规则，实现相同功能的FPGA的每门价格一般是MGA和CBIC价格的25倍。但是半定制ASIC必须以数量取胜，否者，其设计成本要远远大于FPGA的设计成本。ASIC设计生产不单单要考虑元件成本，ASIC元件的批量大小、生产周期的长短，产品利润、产品寿命等等因素，也是决定采取哪种设计方法、生产工艺和成本限制的重要因素。,1.6.2 产品成本 任何产品的总成本可以分成固定成本和可变成本：总成本产品固定成本产品可变成本售出量 固定成本与销售量无关，但分摊到每个售出产品的固定成本随销售量的增长而下降。CBIC需要进行版图设计和流片，其固定成本较高，但一般批量较大，由于采取无冗余设计，芯片利用率高，摊到每个元件的成本较低；MGA只要进行掩膜互连设计和流片，有一定批量，但芯片利用率不高，存在一定的冗余，固定成本居中，每个产品的成本也居中；FPGA不需掩膜工艺，固定成本最低，但批量小，摊到每个元件的成本最高。,由于MGA和CBIC的固定成本比较高，当销售量比较低时，MGA和CBIC的成本比FPGA高；当其数量增加到盈亏平衡点时，两者的成本相等。FPGA和MGA之间的盈亏平衡点的元件数量大约是2000个，FPGA和CBIC之间达到盈亏平衡点的元件数约是4000个，MGA和CBIC之间盈亏平衡点所需的时间约为20000个。FPGA、MGA、CBIC之间的盈亏平衡点以及元件成本见图1.11。,1.6.3 ASIC固定成本 ASIC固定成本包括工程师培训费和设计费（包括硬件、软件、电路设计、可测性设计、掩膜、仿真、测试程序）等。FPGA的固定成本最低：通常利用比较简单的EDA工具和FPGA系统仿真软件等，就可以由设计人员在普通计算机工作机房完成最终ASIC产品。用MGA和CBIC方法实现的ASIC，除了需要一整套比较昂贵的EDA系统和仿真软件外，设计人员还要完成较复杂的系统设计、仿真、测试等工作，还要支付一次性工程费用NRE。需要支付掩膜成本、芯片生产、测试、封装等费用。其设计难度、周期、成本均大于FPGA。,MGA和CBIC方式 ASIC设计周期基本上可以界定为从着手设计到完成ASIC版图设计和后模拟的过程。而掩膜ASIC产品周期还应包括流片、测试、封装的过程。因此，除了设计周期较长外，值得一提的是，MGA和CBIC的工艺还存在一次流片失败的风险。长的生产周期和流片风险对生产商的利润有巨大影响。图1.13给出利润的模型，说明设计周期延长对产品利润的影响。若产品的总销售额为6000万美元，若发生3个月延期，销售总额会降至2500万美元，收入损失3500万美元。,1.6.4 ASIC可变成本 ASIC的可变成本主要由流片时的工艺、材料费用、合格率等因素决定。材料费用与硅圆片直径、成本、芯片面积、集成度、成品率等多种因素有关。实际上，可变成本回随着时间和外界条件而变。按照摩尔的预测模型，芯片中晶体管数目每隔18隔月翻1倍。书中图表1.14给出采用不同设计方法时，元件可变成本的电子数据表参考值。,随着圆片尺寸不断增大，圆片加工成本、设备成本、维护运行成本都会发生变化。最小线宽、集成度、布线层数、工艺水平等的发展，会对合格率、加工费用等决定元件成本的诸多因素产生影响。所以可变成本会随着时间、工艺、成品率、经济形势、ASIC尺寸和复杂程度而变。对于任何新的工艺技术，一年后每门的价格下降40，两年后下降30。对于线宽，85年为2微米，87年1.5微米，89年为1微米，9193年为0.8-0.6微米，9697年为0.5-0.35微米，9800年为0.25-0.18微米，目前工艺水平为0.13微米。图1.15给出每门价格以30左右的水平下降的趋势。,1.7 ASIC单元库的来源 对于可编程ASIC，FPGA公司以成套设计工具形式提供几千美元的一套的逻辑单元库。对于MGA和CBIC，可以有3种选择：ASIC供应商提供单元库；从第三方供应商处购买；自己建立自己的单元库。无论采用哪种方式，ASIC单元库的每个单元必须包括：物理版图、行为级模型、Verilog/VHDL模型、详细时序模型、测试策略、电路原理图、单元符号、连线负载模型、布线模型。对于MGA和CBIC单元库，都需要完成单元设计和单元版图。,二、主要内容描述,2.1 IC设计特点及设计信息描述2.2 设计流程,2.1 设计特点和设计信息描述,设计特点(与分立电路相比)对设计正确性提出更为严格的要求 测试问题 版图设计：布局布线 分层分级设计(Hierarchical design)和模块化设计 高度复杂电路系统的要求 什么是分层分级设计？将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低的设计级别，这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级别；这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足够低，也就是说，能相当容易地由这一级设计出的单元逐级组织起复杂的系统。一般来说，级别越高，抽象程度越高；级别越低，细节越具体,从层次和域表示分层分级设计思想,域：行为域：集成电路的功能 结构域：集成电路的逻辑和电路组成 物理域：集成电路掩膜版的几何特性和物 理特性的具体实现层次：系统级、算法级、寄存器传输级(也称RTL级)、逻辑级与电路级,层次 行为域 结构域 物理域,设计信息描述,举例：x=ab+ab；CMOS与非门；CMOS反相器版图,什么是版图？一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示。版图与所采用的制备工艺紧密相关,2.2 设计流程,理想的设计流程(自顶向下：TOP-DOWN）系统功能设计，逻辑和电路设计，版图设计硅编译器silicon compiler(算法级、RTL级向下）门阵列、标准单元阵列等,典型的实际设计流程,需要较多的人工干预 某些设计阶段无自动设计软件，通过模拟分析软件来完成设计 各级设计需要验证,典型的实际设计流程,1、系统功能设计 目标：实现系统功能，满足基本性能要求 过程：功能块划分，RTL级描述，行为仿真 功能块划分 RTL级描述（RTL级VHDL、Verilog)RTL级行为仿真：总体功能和时序是否正确,功能块划分原则：既要使功能块之间的连线尽可能地少，接口清晰，又要求功能块规模合理，便于各个功能块各自独立设计。同时在功能块最大规模的选择时要考虑设计软件可处理的设计级别,算法级：包含算法级综合：将算法级描述转换到 RTL级描述 综 合：通过附加一定的约束条件从高一级设计 层次直接转换到低一级设计层次的过程 逻辑级：较小规模电路,实际设计流程,系统功能设计 输出：语言或功能图 软件支持：多目标多约束条件优化问题 无自动设计软件 仿真软件：VHDL仿真器、Verilog仿真器,实际设计流程,2、逻辑和电路设计概念：确定满足一定逻辑或电路功能的由逻辑或电路单元组成的逻辑或电路结构过程：A.数字电路：RTL级描述 逻辑综合(Synopsys,Ambit)逻辑网表 逻辑模拟与验证，时序分析和优化 难以综合的：人工设计后进行原理图输入，再进行逻辑模拟,电路实现（包括满足电路性能要求的电路结构和元件参数)：调用单元库完成；没有单元库支持：对各单元进行电路设计，通过电路模拟与分析，预测电路的直流、交流、瞬态等特性，之后再根据模拟结果反复修改器件参数，直到获得满意的结果。由此可形成用户自己的单元库,单元库：一组单元电路的集合 经过优化设计、并通过设计规则检查和反复工艺验证，能正确反映所需的逻辑和电路功能以及性能，适合于工艺制备，可达到最大的成品率。元件 门 元胞 宏单元(功能块)基于单元库的描述：层次描述 单元库可由厂家提供，可由用户自行建立,B.模拟电路：尚无良好的综合软件 RTL级仿真通过后，根据设计经验进行电路设计 原理图输入 电路模拟与验证 模拟单元库逻辑和电路设计的输出：网表（元件及其连接关系）或逻辑图、电路图 软件支持：逻辑综合、逻辑模拟、电路模拟、时序分析等软件(EDA软件系统中已集成),实际设计流程,3.版图设计概念：根据逻辑与电路功能和性能要求以及工艺水平要求来设计光刻用的掩膜版图，IC设计的最终输出。什么是版图？一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示。版图与所采用的制备工艺紧密相关,版图设计过程：由底向上过程 主要是布局布线过程 布局：将模块安置在芯片的适当位置，满足一定目标函数。对级别最低的功能块，是指根据连接关系，确定各单元的位置，级别高一些的，是分配较低级别功能块的位置，使芯片面积尽量小。布线：根据电路的连接关系（连接表）在指定区域（面积、形状、层次）百分之百完成连线。布线均匀，优化连线长度、保证布通率。,版图设计过程大多数基于单元库实现（1）软件自动转换到版图，可人工调整（规则芯片）（2）布图规划（floor planning)工具 布局布线工具（place&route）布图规划：在一定约束条件下对设计进行物理划分，并初步确定芯片面积和形状、单元区位置、功能块的面积形状和相对位置、I/O位置，产生布线网格，还可以规划电源、地线以及数据通道分布（3）全人工版图设计：人工布图规划，提取单元，人工布局布线（由底向上：小功能块到大功能块）,人工版图设计典型过程,版图验证与检查 DRC：几何设计规则检查 ERC：电学规则检查 LVS：网表一致性检查 POSTSIM：后仿真（提取实际版图参数、电阻、电容，生成带寄生量的器件级网表，进行开关级逻辑模拟或电路模拟，以验证设计出的电路功能的正确性和时序性能等)，产生测试向量 软件支持：成熟的CAD工具用于版图编辑、人机交互式布局布线、自动布局布线以及版图检查和验证,设计规则 IC设计与工艺制备之间的接口 制定目的：使芯片尺寸在尽可能小的前提下，避免线条宽度的偏差和不同层版套准偏差可能带来的问题，尽可能地提高电路制备的成品率 什么是设计规则？考虑器件在正常工作的条件下，根据实际工艺水平(包括光刻特性、刻蚀能力、对准容差等)和成品率要求，给出的一组同一工艺层及不同工艺层之间几何尺寸的限制，主要包括线宽、间距、覆盖、露头、凹口、面积等规则，分别给出它们的最小值，以防止掩膜图形的断裂、连接和一些不良物理效应的出现。,设计规则的表示方法 以为单位：把大多数尺寸（覆盖，出头等等）约定为的倍数。与工艺线所具有的工艺分辨率有关，线宽偏离理想特征尺寸的上限以及掩膜版之间的最大套准偏差，一般等于栅长度的一半。优点：版图设计独立于工艺和实际尺寸 举例：以微米为单位：每个尺寸之间没有必然的比例关系，提高每一尺寸的合理度；简化度不高 举例：,IC设计流程视具体系统而定 随着 IC CAD系统的发展，IC设计更侧重系统设计 正向设计，逆向设计 SoC:IP（Intelligent Proprietary）库(优化设计)软核：行为级描述firm IP:门级 hard IP:版图级，D/A A/D DRAM，优化的深亚微米电路等 IC设计与电路制备相对独立的新模式 Foundry的出现,三、可测性设计技术,什么是集成电路测试？对制造出的电路进行功能和性能检测，检测并定位出电路的故障，用尽可能短的时间挑选出合格芯片。集成电路测试的特殊性 什么是可测性设计？在尽可能少地增加附加引线脚和附加电路，并使芯片性能损失最小的情况下，满足电路可控制性和可观察性的要求可控制：从输入端将芯片内部逻辑电路置于指定状态可观察：直接或间接地从外部观察内部电路的状态,结构式测试技术,扫描途径测试概念：将时序元件和组合电路隔离开，解决时序电路测试困难的问题。将芯片中的时序元件(如触发器、寄存器等)连接成一个或数个移位寄存器(即扫描途径)，在组合电路和时序元件之间增加隔离开关，并用专门信号控制芯片工作于正常工作模式或测试模式。当芯片处于正常模式时，组合电路的反馈输出作为时序元件的输入，移位寄存器不工作；当芯片处于测试模式时，组合电路的反馈输出与时序元件的连接断开，可以从扫描输入端向时序元件输入信号，并可以将时序元件的输出移出进行观察,1.测试模式，扫描途径是否正确；2.测试序列移入移位寄存器，稳定后组合电路输入，与反馈输入一起通过组合逻辑，观察组合逻辑的输出，与期望值比较；3.正常工作模式，组合电路的反馈输出送入时序元件；将电路转为测试模式把时序元件中的内容移出，也与期望值比较，与上述组合逻辑的输出一起用来检查芯片的功能,测试序列用确定性算法自动生成,扫描途径测试技术存在的问题需要增加控制电路数量和外部引脚，需要将分散的时序元件连在一起，导致芯片面积增加和速度降低；串行输出结果，测试时间较长。,特征量分析测试技术,内建测试技术，在芯片内部设计了“测试设备”来检测芯片的功能，避免了数据需要串行传输到外部设备的问题 概念：把对应输入信号的各节点响应序列压缩，提取出相应的特征量，保存在寄存器中，只需比较实测响应序列和正常序列的特征量，可以减少计算机内存，提高测试速度 增加的芯片面积不多，但故障检测和诊断的有效率不高,自测试技术,在芯片内部建立自测试结构电路，不需要外部激励。常见的自测试结构包括表决电路、错误检测与校正码技术等,四、ASIC设计的热点和趋势,1、SOC 设计；2、数字逻辑相模拟电路和数模混合电路；,3.1 SOC（System on Chip,片上系统）技术1、SOC技术的开发与应用,SOC的工作开始于20世纪90年代,虽然对SOC至今尚无非常明确的定义，但一般认为，采用深亚微米（DSM）工艺技术，IP核的复用和软硬件协同设计是SOC的三大技术特征。,2、SOC的产生和发展有三个方面的原因,首先是微电子加工技术的发展，已经使得在单个芯片上制作电子系统所需要的几乎所有元件有了可能。其次，几十年来集成电路的设计能力的增长滞后于工艺技术的发展，在深亚微米（DSM）阶段变的更加突出，因而SOC设计技术应运而生。第三，电子系统发展的需要，利用SOC可以大大减少所使用的元件数量，提高产品性能，降低能耗，缩小体积，降低成本，或者说在相同的工艺技术条件下，可以实现更高的性能指标。,按照1999年国际半导体技术发展指南(ITRS1999），目前组成SOC的模块单元可以包括微处理器核，嵌入式SRAM、DRAM和FLASH单元以及某些特定的逻辑单元。ITRS99认为，开发SOC的根本目标是提高性能和降低成本,另外，Soc开发的另一个重要的考虑是他的可编程特性（通过软件、fpga,flash或其他手段来实现）。,3、关于IP核的开发应用,IP（Intellectual Property)核是SOC的建造基础今天所称的IP是指那些较高集成度并具有完整功能的单元模块，如MPU、DSP、DRAM、FLASH等模块.IP模块的再利用，除了可以缩短SOC芯片的设计时间外，还能大大降低设计和制造的成本，提高可靠性。,IP核从技术层面上可分为软核、固核、硬核三种 从满足SOC的设计要求来说，它必须有四个特征：1.必须是符合设计再利用的要求按嵌入式专门设计的。2.必须是经多次优化设计，达到通常的“四最”（芯片面积最小，运算速度最快，功耗最小，工艺容差最大）的目标。3.必须是允许多家公司在支付一定费用后商业运用的，而不是本公司内部专用的。4.必须符合IP标准。1996年9月，世界35个著名公司组成一个国际性企业联合组织棗虚拟插座接口联盟VSIA。,3.2 模拟IC与混合信号IC,数字、模拟电路混合的混合信号（Mixed Signal）IC设计成为ASIC/SoC设计中最常出现的需求，尤其是通信领域混合信号IC设计方法也由原来的功能设计向功能组装的方向发展。,1、模拟集成电路的生存空间,首先，数字技术是一种人工编码技术，而自然界的监测对象和控制对象，如声、光、温度全是连续变化的“模拟量”。数字技术不可能直接监测和直接控制。实现这一接口功能的正是模拟电路。其次，数字信号只能有线传输（利用双绞线，同轴线，光缆等等）。采用射频载波的调制和解调，才能完成无线发射和接收。这又是非模拟电路不可的用场。再次，任何数字系统都必须有电源的控制和管理。在移动式数字系统中，电源控制和电源管理的问题更加突出。,2、模拟IC发展的两大趋势,嵌入式模拟IC和高性能模拟IC是当前模拟IC发展的两大趋势 采用标准CMOS工艺设计制造A/D、D/A转换器，RF电路等典型模拟电路和混合信号电路已经成为业内热点。采用CMOS工艺设计模拟IC的工作难度，高于设计数字IC。,谢谢,