基于标准CMOS工艺的ADCDAC IP核开发集成电路产业研究与开发专项资金项目申请报告.doc
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1、集成电路产业研究与开发专项资金项目申请报告项目名称:基于标准CMOS工艺的ADC/DAC IP核开发 申请单位:重庆电路设计有限公司 地址及邮编: 重庆项目负责人: 财务负责人: 单位负责人: 单位传真: 联系人及电话: 填报日期: 填表说明本项目申请报告,由项目承担单位根据如下要求填写:一、市场分析:(一)市场前景:目标市场的当前规模、主要用户、市场年均增长率;(二)市场竞争:国内外主要竞争者,投资及生产能力,潜在竞争,供求关系;(三)本项目的内容及重点解决的问题;(四)技术趋势。二、现有条件分析:(一)管理水平:领导人、项目经理、管理班子、经营管理制度;(二)技术:技术水平、研发队伍、知识
2、产权、专利申报;(三)产品及服务:产业化程度、产品及服务的定单;(四)开发环境或设备设施。三、投资分析:(一)历史财务状况;(二)投资的规模及确定投资规模的依据,追加投资总额,资金来源及使用计划,贷款期限、利率;(三)项目铺底流动资金的来源,正常生产流动资金的供应渠道;(四)项目进度。四、投资评估经济效益分析:(一)项目形成的生产能力;(二)采用量-本-利分析法,找出盈亏平衡点,根据市场需求及生产能力,求得最大收益;(三)计算投资回收期(年)=投资总额/(年利税+年折旧);(五)预计年产量,品种,产值、利税。五、其它方面分析:政策法律风险、经济环境风险、自然灾害风险分析。六、本报告必须附企业(
3、单位)前两年财务报表。联系电话不得只留总机。七、本报告人民币金额单位:万元,外汇金额单位:万美元。八、本表可在格式不变的基础上根据需要自行调整。一、市场分析(一)市场前景随着微电子技术的飞速发展,集数模混合信号处理电路为一体的高性能系统芯片(SoC)将成为下一代集成电路的主流。越来越多的工业控制系统、通信系统和家用智能系统都会不同程度地使用这样的高性能集成芯片,以提高系统的性能、功效和可靠性,增强产品的竞争力,降低系统的成本,缩小系统的体积,提高产品的竞争能力。毫无疑问,这样的高科技产品不仅会改变整个社会各种智能化系统的技术含量,而且会实实在在地让人们通过使用各种电器而倍受裨益,并通过人们工作
4、、生活和娱乐各个环节中的活动直接反映出来。截至今年为止,全球约有三百余家IP核供应商。据Dataquest公司的调查结果显示,作为在半导体工业中增长最快的一部分,1998年IP的销售额为3.6亿美元。1999年全球IP市场规模为4.2亿美元,前三家企业分别是英国ARM公司,美国MIPS Technologies 公司,美国Rambus公司。3家公司合计占有市场的 50.6% 的份额。而ARM以21.2%的市场占有率,位居首位。2000年,这一数字为6.2亿美元。到了2005年,销售总额急增到35.4亿美元,增长率分别为36%、47%和570%。市场调研公司Semico Research指出,半
5、导体知识产权(IP)是刺激半导体产业增长的下一个“杀手应用”催化剂。该公司预测,半导体IP市场2009年将超过51亿美元,复合年增长3.65亿美元。Semico指出,促使半导体产业越来越多地使用IP的其它因素包括:日益依赖外包,光罩成本上升,设计周期变长和市场机会有限(shrinking market windows)。Semico公司表示,IP市场将根据不同类型的器件而细分成不同的领域,系统芯片(SoC)器件将在未来四年内使用最多的IP,复合年增率为21.5%,2009年接近15亿美元。Semico的资深分析师Rich Wawryzniak表示,半导体IP“应该被看作潜在的生产率增强器和最终
6、硅片解决方案的促进器。与其它厂商相比,那些创造、获得和重新使用IP的厂商将具有明显的优势。”Wawryzniak表示,通讯领域将是预测期内消费IP最多的应用,PC和消费产品消费的IP分别占据第二和第三。 从这些分析可以看出IP核本身以及基于IP设计的SoC在未来5到10年内受通讯和消费类电子的牵引,将经历一个高速发展的时期,这个大好前景对于各集成电路开发商、半导体制造公司和EDA开发商都是一个难得的发展机遇。作为以知识形态出现的特殊产品,国外IP的商业化已较成熟。自20世纪90年代初期至今,已经开发了种类较齐全的、可重复使用的IP核,如微处理器(MPU)核、微控制器(MCU)核、DSP核、存储
7、器核、ADC、DAC及数字模拟混合信号电路核、模拟电路及射频电路核、I/O接口电路核和各种专用算法模块。现在国内对IP的开发很重视,这主要是两方面的需求决定的。一方面是技术发展的需求,另一方面是用户对性能、功能的需求。未来IC设计是SoC的时代,一家公司很难具备系统需要的所有知识和技能,就必然要使用别人的IP。在经济和产业方面,IP的地位也很重要。未来半导体产品制造成本会越来越低,产品的价值将主要是由其知识技术含量决定的。应该说一个国家或企业掌握半导体核心技术的多少就体现在自主开发的IP的数量上,我们必须要开发拥有自主知识产权的IP,从而为今后SoC提供设计上的支撑。从IP核的使用情况来看,国
8、内IP的商业化目前还面临商业模式的本地化问题,国外的IP交易模式在国内不一定完全适用。因为国外IP交易已很普遍,而国内不少IC设计公司则面临第一次吃螃蟹的问题。面对价格不菲的IP,用户因不了解其内部详细设计,还心存顾虑,而对经过验证的IP硬核用户会比较放心。这两年国内IP的商业化以嵌入式CPU为主,用在PDA等移动通信产品上。随着国内IC设计公司对采用IP进行设计的普遍认同,今年开始会有较快增长,尤其在通信SoC设计中将集成更多的模拟、混合信号IP。(二)市场竞争我国的IP产业起步较晚,规模很小,但发展很快。不过,截止到目前为止,国内纯粹依靠IP经营的公司屈指可数,多数公司在涉足IP行业时极为
9、谨慎,经常是ASIC经营、IP经营、设计服务经营同时进行。但是,令人欣喜的是,在2004年信息产业部软件与集成电路促进中心进行的中国IC及IP发展调研中,有超过60%的被调研企业在采用0.18m工艺进行产品开发,有超过50%的被调研企业所设计产品的规模高达100万门以上,有超过30%的被调研企业进行过或正在进行SoC设计。这些数据表明,我国IC设计已经具备了SoC设计的基础,IP开发的市场环境和技术环境已经形成。可以这样认为:国内集成电路竞争的下一个热点将是SoC设计和IP核的开发。从各种通信、智能化高科技产品的市场规模、数量、深度以及广度而言,我国都是个生产和消费大国,并且其消费群体还在不断
10、的发展壮大中。这不仅是在发展中国家中居于群龙之首,而且在全世界也是名列前茅的。但我们应该清楚地意识到我国在SoC设计以及IP开发领域却又明显的处于落后地位。对于如此潜在的市场规模,如没有自己知识产权的高科技产品的支持,要成为真正意义上的科技大国、技术大国和产品研制及消费大国也是一句空话。在现今混合信号集成电路和未来SoC产品领域,以A/D、D/A转换器为首的混合信号集成电路都将是重点发展的领域。各种系统的数字化(如数字化彩电)程度再高,未来SoC技术再成熟,我们都不得不面对一个事实,即现实世界是模拟世界,各种信号的来源和传输都离不开模拟信号。因此,以A/D、D/A转换器为代表的混合信号类型的接
11、口型集成电路必须与数字集成电路和SoC技术同步发展,才可能保证未来各种系统的可实现性和完整性。从目前的A/D、D/A转换器使用情况来看,我国在各种高性能系统中所采用的模拟/混合信号集成电路大多采用国外公司的产品,它们主要来自于美国ADI、MAXIM和LTC等半导体制造商。尽管在一些单品种上有一些产品,但没有批量用户,价格和质量上也难以与国外知名厂商竞争。因此,我们有必要在A/D、D/A转换器这一领域掌握相关的技术,为产品开发打下基础。从A/D、D/A转换器的IP开发来看,目前世界上前10名的IP供应商的主流产品均不是A/D、D/A转换器IP核。这并不是说这样的IP不重要,作为一个全功能的SoC
12、而言,与自然世界接口的A/D、D/A转换器是必不可少的。目前存在的问题是A/D、D/A转换器不能像数字电路那样以IP软核或硬核的形式出现,而硬核本身又有完全依赖于工艺的局限性,这无论是在IP开发、标准和SoC复用等方面都还存在一定的问题。但是这样的IP核的价值和重要性又是不容置疑的。因此,我们应该主动地参与到这一领域的产品开发和IP设计中来,在开发中逐渐解决复用的问题,并基于成熟的标准工艺线建立IP核,满足SoC对A/D、D/A转换器IP核日益扩大的需求。(三)本项目的内容及重点解决的问题基于标准CMOS工艺进行A/D、D/A转换器的设计、制造,根据SoC产品设计对IP复用的要求,建立以版图形
13、式给出的转换器和对应的接口文档,从而形成具有自主知识产权的IP硬核。本项目为自主开发用于混合信号SoC应用的高性能A/D、D/A转换器芯片,其A/D转换器包含采样保持电路、参考源电路、A/D转换单元、逻辑控制电路和输出驱动电路等构成,D/A转换器包括基准源电路、数据锁存电路、编码电路和D/A转换器等组成。这两类器件都属于混合信号处理电路,通常作为数字化系统的接口电路,可广泛用于通信系统、数据采集系统和控制系统中,也是SoC中不可缺少的重要组成部分。A/D、D/A转换器具有集成度高、电路功能复杂的特点,同时根据使用的要求,其转换精度高、速度快,在某种程度上讲是一种通用型器件,具有能与微处理器接口
14、和应用方便等特点。所开发的A/D、D/A转换器采用0.18m0.35m CMOS工艺进行设计,并形成IP核,供具有数据采集与控制反馈的SoC设计时使用。本项目所开发的几个A/D、D/A转换器是典型的混合信号集成电路IP核,目前这类IP核还只能以硬核的方式提供使用。但由于受数字电路与模拟电路处理信号的不同、传统的加工工艺不同、仿真工具/设计方法的不同以及高精度的性能指标要求等方面的问题,目前混合信号IP核在实用上也存在一定的距离。本项目就是在解决一些混合信号IP核实用性方面的技术及接口问题的前提下,将国内的混合信号IP核推向市场,并为今后更多的模拟/混合信号集成电路IP核的开发和实用化打下良好的
15、基础。1、本项目的主要内容1)A/D、D/A转换器及IP核技术指标开发8位和12位A/D转换器并形成IP核,其主要技术指标为:8位A/D转换器工作电压:5V;转换时间:2uS;线性误差:1LSB。12位A/D转换器:工作电压:5V;转换时间:30uS;线性误差:2LSB。开发8位和12位D/A转换器并形成IP核,其主要技术指标为:8位A/D转换器:工作电压:3.3V;转换速率:60MHz;线性误差:1LSB;无杂散动态范围:40dB。12位A/D转换器:工作电压:3.3V;转换速率:30MHz;线性误差:2.5LSB;无杂散动态范围:50dB。2)电路设计、测试的主要内容转换器总体结构设计单元
16、电路指标和单元电路间内部接口的确定单元电路设计总体电路设计电路功能及性能验证电路设计评审单元电路版图设计总体版图设计版图验证和后仿真版图评审设计开发确认完成GDS版图文件。芯片的总体结构设计 A/D转换器就目前的A/D转换器而言,精度不同、采样率不同,所采用的总体结构是完全不同的。对于精度8位A/D转换器,其主要的结构为全并行结构(也叫做FLASH结构),这种结构的优点是采样率高,缺点是面积和功耗均较大;对于精度为12位16位的A/D转换器,其主要的结构有流水线结构(PIPELINE)和逐次比较结构(SAR),其中流水线结构是目前高速、中高精度A/D转换器的典型结构,具有速度快、功耗低的优点,
17、但缺点是存在流水线延迟;逐次比较结构是一种适合于不同精度的A/D转换器结构,但在10位16位用得更多一些,这种结构具有精度高、功耗低和面积小的优点,但也存在转换速度慢的问题;另外,对于810位的A/D转换器也可采用两步转换结构,这种结构具有速度快、面积小的优点,同时流水线延迟也较小。由于SoC是一种将多个IP核组合成一个系统的芯片,对IP面积、功耗的要求应放在首位,而采样率放在次要的地位。因此,本项目中的两个A/D转换器将分别采用如下的结构进行总体设计。8位A/D转换器:从满足高速SoC设计需要考虑,将采用速度较快的两步转换结构,即保证电路的速度的同时兼顾到转换器的面积和功耗。总体设计中将完成
18、转换器的两步转换结构,确定顶层单元框图,制定满足相应性能指标的分块指标参数,并根据总体要求,完成相应工艺加工的接口和评估。12位A/D转换器:12位A/D转换器的总体设计将主要从精度和功耗上考虑,并注意到整个电路的面积。基于这一出发点,最合适的结构应该是逐次比较结构。总体设计中将对逐次比较的转换结构、比较器、时钟控制及逻辑电路和DAC单元电路进行设计,从而确定顶层单元框图,制定满足相应性能指标的分块指标参数,并根据总体要求,完成相应工艺加工的接口和评估。 8位和12位D/A转换器在高速、低功耗D/A转换器领域,目前的主流结构为分段电流结构,它是通过输入的数码值来控制相应的开关并选择对应的加权电
19、流而得到与输入数据对应的电流值,从而实现数字信号向模拟信号的转换。对于8位D/A转换器将采用4+4的两段结构,而对于12位D/A转换器,将采用4+8的两段电流结构。总体设计就是要对这两种D/A转换器顶层结构进行设计,制定满足相应性能指标的分块指标参数,并根据总体要求,完成相应工艺加工的接口和评估。 芯片单元电路设计、版图设计与总体设计针对所选定的工艺将分别完成A/D、D/A转换器芯片中单元电路的设计,并根据总体设计所确定的分块技术指标来对单元电路进行仿真和优化。 A/D转换器将首先完成A/D转换器中基准源、低位的ADC及DAC转换单元、比较器、时钟及逻辑控制电路和输出驱动电路的设计,要求单元电
20、路的指标按照总体设计所确定的指标进行。并在此基础上完成总体电路的设计,确保指标全面达到用户要求。然后完成单元电路的版图设计和总体版图的拼接,并最终完成总体版图的验证及后仿真。 D/A转换器将首先完成D/A转换器中数字输入锁存电路、温度码产生电路、参考源电路、加权电流源电路和时序控制电路等进行单元电路设计、仿真,并在此基础上完成总体电路设计和性能指标的优化。然后完成单元电路的版图设计和总体版图的拼接,并最终完成总体版图的验证及后仿真。 建立A/D、D/A转换器设计平台根据A/D、D/A转换器混合信号集成电路开发的特点,基于标准工艺提供的PDK和CADENCE系统的设计环境,以完整的A/D、D/A
21、转换器集成电路基本单元库为基础,建立实用化的A/D、D/A转换器集成电路设计平台。平台的基本单元电路库包括参考源电路、低位A/D转换单元、低位D/A转换单元、输出驱动电路、高速锁存器、温度码产生电路、加权电流源电路等电路结构和版图,同时该平台具有A/D、D/A转换器产品开发所需要的结构技术、应用设计、测试方法、电路开发、版图设计及验证的一整套设计方法和设计流程,可以在所采用的工艺改变时或者根据用户所要求的性能指标进行有效的设计修改。 测试系统开发根据所开发的A/D、D/A转换器的性能指标,对各种直流及动态指标对应的测试技术进行研究,由智能仪器搭建相应的测试系统、设计测试适配器并开发相应的测试软
22、件,从而完成对A/D、D/A转换器性能指标的测试。3)A/D、D/A转换器的IP设计在所研制的A/D、D/A转换器基础上,进行相应IP硬核的开发,其重点是对A/D、D/A转换器的功能及性能描述、各连接端口的定义、硬核的生成、应用接口的制定和复用的相关要求进行研究,特别是要对IP核的实用性、功能及性能的复用可靠性进行验证。2、本项目重点解决的问题1)A/D、D/A转换器总体结构的设计技术A/D、D/A转换器属于混合信号集成电路的范畴,从某种意义上讲它们本身就是一个小的系统,因此,A/D、D/A转换器总体结构的设计特别重要。其设计的目的是要解决精度、速度、面积和功耗等重要指标是否能达到的问题。2)
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