超大规模集成电路论文.doc

VLSI设计要点介绍前言随着IC制作和设计水平的提高，进入VLSI时代，已能够将一个复杂系统集成到一个芯片之中。因此，VLSI芯片设计不仅要进行电路设计，还要进行VLSI系统设计。对于自行设计VLSI芯片的用户来说，其主要侧重点放在系统设计上。VLSI系统设计的首要任务是解决VLSI设计的复杂性问题。因而VLSI设计方法学的研究得到广泛的重视。当然对于困难的IC设计，也需要考虑众多的细节问题，多层次的抽象、多指标成本标准和成本指标间的冲突、有限的设计时间等等，都是IC设计者需要考虑的问题。正文一、IC设计方法根据摩尔定律，芯片的集成度越来越高，我们必须能够快速设计复杂的大尺度芯片。使大尺度芯片不能够正常工作的障碍主要是芯片的复杂度保证芯片能够正常工作就必须考虑大量细节问题。在芯片设计时，设计人员必须面临如下几类问题：1、多层次的抽象 IC设计需要从各个设计层次来考察其设计思想。从规定芯片的规范开始，设计人员就必须建立一个实现一定功能的体系结构，然后，将体系结构延伸到逻辑设计，再进一步将逻辑设计具体到电路板图设计。这一过程中，会涉及大量的工作。2、多指标成本标准和成本指标间的冲突 除了必须从各个设计层次来考察其设计思想外，设计人员还必须考虑其设计成本不是经济成本，而是判断设计工作质量的准则。其中一个重要的成本是芯片的工作速度。芯片面积是另一个重要的设计成本。设计中有大量的工作是对相互冲突的成本指标取得一个最佳的平衡。3、有限的设计时间 理想情况下，有足够的时间考虑其设计思想的效果。但是，现实中是不允许的。因此，设计人员总是被要求尽可能快的设计出芯片。对实用型芯片的设计，设计时间尤为紧迫。对应于上述问题，设计人员已经开发出了相应的对策来排除芯片设计中不必要的细节问题。其方法为：层次设计、抽象设计和计算机辅助设计。1、 层次设计的思想常常用在编程上：不是采用大量的最原始的语句来编写一个程序，而是通过对一些更简单的子程序的调用来实现某个程序。每个程序都是被分解为一些更小的功能模块，这种分解一直进行到实现某种功能的每一个操作可以直接写入芯片。这种技术一般被称为“分而治之发”以递归的形式将程序一直分解为容易实现的子程序，程序的复杂度得以降低。利用类似的思想，芯片设计人员将整块芯片分解为一系列的原件而实现设计的过程的分而治之。重用经常使用到的元件对芯片设计非常有用，例如，可以用N个全加器得到一个N比特的加法器。一般给每个元件一个实例名。层次设计方法式设计人员的思路更加有条理引入层次的概念使大量的晶体管的功能被分成一些具体的、更容易描述的功能。层次设计也使设计人员更容易重复使用芯片的零碎的功能模块，或者通过对旧的设计方案的修改来实现某一新的功能，或者因新的目的而使用该元件。2、 抽象设计对硬件系统的设计非常重要。硬件设计人员在设计过程中采用抽象设计以确保其设计能够满足主要目标。抽象设计的一个最简单的例子就是逻辑门的设计。这里所说的逻辑门是对实现构造该门的非线性电路的简化描述：处理二进制的布尔运算的逻辑门。芯片设计中的一些工作是很困难的，甚至是无法进行的。然而，其他一些设计工作太困难而无法在电路中完成。抽象设计方法最适合这类设计任务。 我们也可以采用更高层次的抽象设计来确定初步的设计思路，然后，在通过更具体的模型对设计思路进行具体化：例如，我们常常首先用简单的延迟计算优化逻辑设计，再根据详细的电路信息进一步对逻辑设计进行具体化的优化。抽象设计方法和层次设计方法不一样。某一层次上的抽象设计在相应抽象层次上使用元件，随着元件数增加，各层次设计的复杂度将增加复杂度的增加源于元件的输入/输出行为层次提高而越来越复杂。 设计时常常从最高层向下进行抽象，而从最具体的层次开始向上进行描述。显然，设计工作是对抽象设计增加细节开始，自上而下不断完善系统的功能细节。但是，自上而下的涉及策略是在优先信息的条件下进行的：在每个抽象的层次上可能有几种设计方案；我们希望从中选择最能够满足系统的速度、面积和功耗要求的而设计方案。3、 在给定芯片的性能和设计时间的约束下，完成芯片设计的最现实的方法是使用设计过程自动化，即使用计算机辅助设计工具。在运用得当的情况下，CAD可帮助设计人员解决一下三类问题：当你不集中于某一个设计步骤的具体细节是，多层次抽象设计就容易得多了；采用计算机程序比其他方法在分析成本方面更具优势的折中；对明确的设计任务，计算机能比人工更快地完成。 对CAD设计和人工设计来说，层次设计和抽象设计都是很重要的设计方法功能最强大的综合工具和分析工具可以完成要求非常高的设计模型。CAD工具虽然能帮助设计人员完成大量设计工作，但是，具有足够解决设计难题能力的算法常常没有跟广泛的设计要求相应的广泛的数据。 设计人员合理使用CAD工具才会产生最佳的效果。然而，由于CAD工具是处理复杂的大型IC设计的唯一方式，CAD工具成为了今后IC设计不可缺少的工具。CAD工具通过使设计中的部分工作自动化，有助于设计人员避免在常规性的问题上花费太多时间，而是集中精力于设计中的人工干预问题。二、VLSI设计方法目前VLSI系统设计最流行的是自顶向下的结构设计。它的基本策略是将一个复杂系统的功能分成可以独立设计的简单部分，然后将各部分拼接起来，就可完成整个系统的设计。实际上就是模块化的结构设计。但是仅用结构设计法减少VLSI设计复杂性还是有限的，通常普遍采用的策略是“约束设计法”。约束设计能增加可靠性和简单性，但要付出降低芯片某些性能的代。因此，采用何种设计方法和约束条件，主要是均衡设计的复杂性和所设计芯片对性能的要求两者之间的关系。设计者应根据不同芯片的不同要求，确定采用哪种设计方法和约束条件。1、 全定制设计法 适用于得到最高速度、最低功耗、最省面积的芯片设计。由于全定制设计是基于晶体管级的芯片设计，从管子的尺寸、安放位置及管子间互连着手设计，因而设计时花费的人工最多，周期最长，比较适合于大批量生产的集成电路芯片设计。全定制设计可以分为手工布图设计和版图自动生成两大类。手工布图设计则是通过人机对话的办法在计算机上完成的。 手工布图是最老式的设计方法，但他可以设计出性能最好的VLSI与ASIC，并且自动版图生成器所设计的版图经常要用手工设计的方法加以完善和调整。无论是数字集成电路，还是模拟集成电路，或是数模混合电路，都可以用全定制的方法设计。2、半定制设计法 半定制设计法主要包括门阵列设计法、标准单元设计法、可编程逻辑器件设计法和可编程。门阵列设计法。（1）门阵列设计法：适用于设计周期短、成本低、批量小的芯片。其母片主要是门阵列及门海。特点是芯片上预先已生成固定的晶体管阵列、股东的输入输出压焊块和固定的布线通道。设计人员只需根据电路性能要求完成布线设计，实现电路要求。设计周期和制造周期大大缩短，成本大幅福下降。但门的利用率低，芯片占的面积也大。(2)标准但与设计法：适用于性能指标较高、生产批量较大的芯片。设计时根据电路要求从单元库中调出所需单元电路和外围单元，进行自动布局布线，完成芯片版图设计。（3）可编程逻辑器件设计法：由设计人员根据电路要求，通过开发工具进行“再加工”，实现其特定逻辑。可编程逻辑器件具有规则的阵列结构，可实现随机逻辑。（4）可编程门阵列设计法：现场可编程门阵列近年来得到迅速发展，它集PLD器件现场可编程的设计灵活性和门阵列的高密度于一体。FPGA的规模比较大，适用于时序、 组合等各种逻辑电路应用场合，它可以代替几十块甚至几百块通用集成电路芯片。3、设计流程总的来说，VLSI设计共经历三个子过程（1）高层次综合。将系统的行为、各个组合部分的功能及其输入和输出用硬件描述语言加以描述，然后进行行为级综合。同时通过高层次的硬件模拟进行验证。（2）逻辑综合。通过综合工具将逻辑级行为描述转换成使用门级单元的结构描述。同时还要进行门级逻辑模拟和测试综合。（3）物理综合。将网表描述转换成版图即完成布图设计。这时对每个单元确定其几何形状、大小及位置，确定单元间的连接关系。初步流程图： 详细的设