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1、,IC设计工具原理(Cadence应用)哈尔滨工程大学微电子学专业,第一章 IC设计基础,集成电路设计就是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,缩短设计周期以保全全局优化,设计出满足要求的集成电路。其最终的输出是掩模版图,通过制版和工艺流片得到所需的集成电路。,IC设计基础,集成电路制造过程示意图:,IC设计基础,集成电路设计域主要包括三个方面:行为设计(集成电路的功能设计)结构设计(逻辑和电路设计)物理设计(光刻掩模版的几何特性和物 理特性的具体实现),IC设计基础,集成电路设计层次主要包括五个层次:()
2、系统级()算法级()寄存器传输级(RTL级)()逻辑级()电路级,IC设计基础,集成电路设计特点:(1)集成电路对设计正确性提出了更为严格的要求。(2)集成电路对外引出端的数目受外形尺寸限制,外形尺寸与封装内芯片的引脚数目不可能同步增加,给芯片的检测带来困难。(3)集成电路的布局、布线等版图设计更加复杂,只有最终生成设计版图,通过制作掩模、流片,才能真正实现集成电路的各种功能。(4)集成电路设计必须采用分层次设计和模块化设计。,IC设计基础,避免集成电路设计中出现错误措施有:(1)在芯片中设置容错电路,使芯片具有一定的修正功能。(2)借助计算机辅助设计工具(EDA工具)对设计的每个阶段进行反复
3、验证和检查,并对物理因素与电学性能的交织问题进行考虑,以保证设计的正确性。,IC设计基础,设计信息描述:集成电路设计信息描述主要有设计图和语言描述方式。与设计层次相对应的设计描述主要有功能描述、逻辑描述、电路描述、版图描述。功能和逻辑描述可用设计图和语言实现。逻辑描述用逻辑图和逻辑语言实现。电路描述用电路图实现。版图描述采版图实现,IC设计基础,IC设计流程:,IC设计基础,理想的IC设计:根据设计要求进行系统编译,得到系统性能和功能描述;由系统性能和功能描述直接编译出逻辑和电路描述;再由逻辑和电路描述直接编译出相应的物理版图描述。但由于缺少有效的CAD工具,这种技术迄今难以实现。目前硅编译器
4、是设计自动化程度最高的一种设计技术,可实现算法级或寄存器传输级到掩模版图,但是适用于少数几种高度规则结构的集成电路。,IC设计基础,典型的实际分层次设计流程:,IC设计基础,分层次设计流程主要适用于数字系统设计,模拟IC设计基本上是手工设计。即便是数字IC设计,也需要较多的人工干预。,IC设计基础,IC设计方法(1)全定制设计(2)半定制设计 通道门阵列法 门海法(3)定制设计 标准单元法 通用单元法,第二章 EDA概述,电子设计自动化(EDA:Electronic Design Automation)就是利用计算机作为工作平台进行电子自动化设计的一项技术。涵盖内容:系统设计与仿真,电路设计与
5、仿真,印制电路板设计与校正,集成电路版图设计数模混合设计,嵌入式系统设计,软硬件系统协同设计,系统芯片设计,可编程逻辑器件和可编程系统芯片设计,专用集成电路设计等,EDA概述,高级硬件描述语言的完善和IP(Intellectual Property)芯核被广泛使用,使得电子系统和设计方式发生了根本性的转变。IP是集成电路知识产权模块的简称,定义为:经过预先设计、预先验证,具有相对独立的功能,可以重复使用在SoC和ASIC中的电路模块。IP分三类:软核IP 固核IP 硬核IP,EDA概述,软核IP(soft IP)是用可综合的硬件描述语言描述的RTL级电路功能块,不涉及用与什么工艺相关的电路和电
6、路元件实现这些描述。优点:设计周期短,设计投入少,不涉及物理实现,为后续设计留有很大发挥空间,增大了IP的灵活性和适应性。缺点:会有一定比例的后续工序无法适应软核IP设计,从而造成一定程度的软核IP修正,在性能上有较大的不可预知性。,EDA概述,硬核IP(Hard IP)是经过布局、布线并针对某一特定工艺库优化过的网表或物理级版图,通常是GDS-Stream的文件形式。优点:在功耗、尺寸方面都作了充分的优化,有很好的预知性。缺点:由于对工艺的依赖性使得其灵活性和可移植性都较差。,EDA概述,固核IP(Firm IP)是已经基于一般工艺库进行了综合和布局IP核,通常以网表的形式提交客户使用。固核
7、IP在结构、面积以及性能的安排上都已进行了优化。固核IP提供了介于软和IP和硬核IP之间的一个折中方案,比起硬核IP,具有较好的灵活性和可移植性,比起软和IP在性能和面积上有较好的可预知性。,EDA概述,EDA发展概况:(1)20世纪60、70年代出现计算机辅助设计(CAD)(2)随后出现CAE、CAM、CAT、CAQ。(3)20世纪80年代,初级的具有自动化功能的EDA出现。(4)20世纪90年代,EDA技术渗透到电子设计和集成电路设计各个领域,形成了区别于传统设计的整套设计思想和方法。(5)当前,深亚微米工艺和SoC设计对EDA技术提出更高更苛刻的要求。,EDA概述,EDA与传统CAD主要
8、区别:(1)DEA提供的电路图形背后依靠标准的程序化模型或模型库的支持,使得设计的电路具有仿真和分析的基本条件,传统CAD仅仅是辅助作图工具,图形背后没有深层次的物理含义。(2)EDA自动化、智能化程度更高,功能丰富完善。(3)EDA的开放性和数据交换性更好。(4)EDA技术面向设计对象,更贴近实践。,EDA概述,EDA技术特征:(1)硬件采用工作站和PC机。(2)具有IP模块化芯核的设计和可重复利用功能。(3)EDA技术采用高级硬件描述语言描述硬件结构、参数和功能,具有系统级仿真和综合能力。,EDA概述,EDA工具一般由两部分组成:逻辑工具 物理工具 物理工具主要实现物理布局布线。逻辑工具基
9、于网表、布尔逻辑、传输时序等概念。该两部分由不同工具承担,利用标准化的网表文件进行数据交换。,EDA概述,EDA应用于三方面:印制电路板的设计(PCB)可编程数字系统设计(CPLD、FPGA、SOPC)IC设计(ASIC,Soc),EDA概述,EDA软件功能分类:设计工具(以人机接口环境为主)综合工具(处理设计目标),EDA概述,设计中采用的输入方法:数字IC设计:硬件描述语言,状态机,原理图 模拟IC设计:图形输入,SIPCE语言输入 PLD设计:HDL语言输入,原理图,状态机,波形输入 PCB设计:原理图输入,EDA概述,EDA设计方法:(1)行为描述法(2)IP设计与复用技术(3)ASI
10、C设计方法(4)SoC设计方法(5)软硬件协同设计方法,EDA概述,IC设计工具按其用途分类:(1)设计输入与仿真工具(Cadence公司的Virtuoso composer、Verilog-XL、NC-verilog)(2)综合工具(Synopsys公司的DC Expert,Cadence公司的BuilderGates,Magma公司的Blast RTL)(3)布局和布线(Cadence PKS和SE-PKS,Synopsys的Physical Compiler,Magma公司的Blast Fusion)(4)物理版图设计和验证工具(Cadence公司的Virtuoso Layout Edi
11、tor,Synopsys公司的ComsSE,Tanner公司的 L-edit)(5)模拟电路编辑与仿真(Synopsys公司的HSpice,Cadence公司的Spectre Simulator,Tanner公司的S-edit),EDA概述,EDA主要供应商:,Synopsys,Alta,Epic,Synopsys,IKOS,Cadence,Compass,Synopsys,Vantage,Vantage,Cadence,Synopsys,Synopsys,Compass,Mentor Graphics,Cadence,Avant!,Mentor Graphics,Sunrise,Synops
12、ys,Compass,EDA概述,EDA业界三强:Cadence,强项为IC版图设计和PCB设计 Synopsys,强项为逻辑综合 Mentor Graphics,强项为PCB设计和深 亚微米IC设计验证和测试,EDA概述,Cadence 公司简介:成立于1988年,公司总部位于美国加利福尼亚州的San Jose,是全球最大的EDA供应商。产品涵盖领域:包括系统顶层设计与仿真、信号处理、电路设计与仿真、PCB设计与分析、FPGA及ASIC设计以及深亚微米IC设计等。,EDA概述,Cadence EDA工具分类:1、板级电路设计系统 工具 Concept HDL原理图设计输入工具 Check P
13、lus HDL原理图设计规则检查工具 SPECTRA Quest Engineer PCB版图布局规划工具 Allegro Expert专家级PCB版图编辑工具 SPECTRA Expert AutoRouter 专家级pcb自动布线工具 SigNoise信噪分析工具 EMControl 电磁兼容性检查工具,EDA概述,2、逻辑设计与验证工具 Verilog-xl仿真器 Leapfrog VHDL仿真器 Affirma NC Verilog仿真器 Affirma NC VHDL仿真器 Verifault-XL 故障仿真器 VeriSure代码覆盖率检查工具 Envisia Build Gate
14、s 综合工具,EDA概述,3、全定制IC设计工具 Virtuos Schematic Composer Analog Design Environment Virtuos Layout Editor Spectra Virtuoso Layout Synthesizer Assura dracula Diva,EDA概述,Synopsys公司简介:是为全球集成电路设计提供电子设计自动化(EDA)软件工具的主导企业。为全球电子市场提供技术先进的IC设计与验证平台,致力于复杂的芯片上系统(SoCs)的开发。总部设在美国加利福尼亚州Mountain View,有超过60家分公司分布在北美、欧洲、日本
15、与亚洲。提供前后端完整IC设计方案的领先EDA工具供应商。是EDA历史上第一次由一家EDA公司集成了业界最好的前端和后端设计工具。,EDA概述,Sysnopsys 公司主要产品 Apollo-II(为SoC设计服务的布局布线系统)Hercules(层次化的物理验证)PrimeTime(全芯片,门级静态时序分析)Saber(混合信号、混合技术仿真器)SaberDesigner(简单易用、交互能力强的设计工具)VCS(先进的RTL及门级验证平台)Vera(为功能验证提供测试向量自动生成)Cosmos-Scope(图形化波形分析仪)CosmosLE(自动化的版图全定制)ComosSE(全定制的自动化
16、仿真环境)HSPICE(高精度电路仿真)NanoSim(存储器和混合信号验证),EDA概述,Mentor Graphics公司简介:Mentor Graphics公司成立于1981年,总部位于美国俄勒冈州的Wilsonville。Mentor提供完整的软件和硬件设计解决方案。,EDA概述,Mentor公司的主要产品 Mentor DFT(深亚微米集成电路的设计测试)Calibre product suite(深亚微米集成电路的版图验证)ModelSim,Eldo,Mentor Graphics(深亚微米集成电路的系统设计仿真)Blast RTL(高容量,快速的逻辑综合器和静态时序分析模块)Bl
17、ast Fusion(完整的从门级网表到芯片的物理设计系统),第三章Cdence的系统组织结构,大多数 Cadence 工具使用同样的库模型,库结构按目录结构组织数据,这利于不同工具之间的数据交互和一致操作。,物理组织,逻辑组织,目录,库,子目录,单元,子目录,视图,系统组织结构,DDMS(Design Data Management System),DDMS,物理路径Path/lib/cell_1/layout_3.0,逻辑名称cell_1 layout 3.0,Library.lib,系统组织结构,Terms and Definitions库(library):特定工艺相关的单元集合单元(
18、cell):构成系统或芯片模块的设计对象视图(view):单元的一种预定义类型的表示CIW:命令解释窗口属性(attributes):预定义的名称-值对的集合搜索路径(search path):指向当前工作目录和 工作库的指针,系统启动,环境设置1.cshrc 文件设置.cshrc文件中指定 Cadence 软件和 licence 文件所在的路径 2.cdsenv 文件设置.cdsenv 文件包含了 Cadence 软件的一些初始设置,该文件用 SKILL 语言写,Cadence 可直接执行3.cdsinit 文件设置,系统启动,5 工艺文件(technology file)技术文件包含了设计
19、必需的很多信息,对设计,尤其是版图设计很重要。它包含层的定义,符号化器件定义,几何、物理、电学设计规则,以及一些针对特定 Cadence 工具的规则定义,如自动布局布线的规则,版图转换成 GDSII 时所使用层号的定义。6 显示文件(display.drf),系统启动,系统启动1 前端启动命令,系统启动,2 版图工具启动命令,系统启动,3 系统级启动命令,系统启动,系统启动,Command Interpreter Window(CIW),Log 文件,菜单栏,窗口号,输出域,命令提示行,输入域,鼠标按钮提示,帮助系统,两种方式寻求帮助1 openbook 在UNIX提示符下输入命令 openb
20、ook:host openbook&2 工具在线帮助 每个工具右上角的“help”菜单,第四章 模拟IC设计环境ADE,ADE环境下可以:选择仿真器 选择仿真类型 设置设计变量 提取网表运行仿真 快速改变仿真设置并重新运行仿真 在波形显示器中显示仿真波形 用波形表达式评估仿真结果 进行其他仿真,如Corners,Monte Carlo,etc,Schematic Composor,Schematic Composor,Schematic Composor,新建一个Cellview In the CIW or Library Manager,select File-New-Cellview,Sc
21、hematic Composor,添加器件 Select Add-instance to display the Add Instance form,Schematic Composor,添加连线并给连线命名 Select Add-Wire or press i to add wires for instances Select Add-Wirename to display the view of add wire name,Schematic Composor,添加管脚 Select Add-pin or press p 每一个管脚都有确定的名字和方向(input,output,or in
22、putoutput)。管脚有三种类型:Schematic pins Symbol pins Offsheet pins,Schematic Composor,添加激励源 Source and ground cells are in the analoglib library.,Schematic Composor,电路检查 Press the button of check and save.在电路检查过程中会执行以下的程序:Update Connectivity Schematic Rules Check Logical checks Physical Checks Name checks
23、Cross-View Checker,Execute Check-Rules Setup to edit the checking rules,Analog Simulation,模拟仿真流程:,Analog Simulation,启动仿真环境 Select Tools-Analog Environment from the schematic menu banner,or select Tools-Analog Environment Simulation from the CIW,Analog Simulation,设置仿真器 Select Simulator/Directory/Host
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