微电子学概论 ch5 集成电路设计1

1、集成电路设计集成电路设计I 上一页上一页 下一页下一页 ?集成电路设计与制造的主要流程框架集成电路设计与制造的主要流程框架 系系统统需需求求掩膜版掩膜版 设计设计 功能设计功能设计 逻辑和电路设计逻辑和电路设计版图设计版图设计 单晶、外单晶、外延材料延材料 芯片制造芯片制造过程过程 芯片检测芯片检测 封装封装 测试测试 上一页上一页 下一页下一页 集成电路的设计过程：集成电路的设计过程： 功能要求功能要求 设计创意设计创意 行为设计（行为设计（VHDL） + + 行为仿真行为仿真 仿真验证仿真验证 是是 综合、优化综合、优化网表网表 否否 时序仿真时序仿真 是是 布局布线布局布线版图版图 否否

2、 后仿真后仿真 是是 否否 设计业设计业 集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架 上一页上一页 下一页下一页 需要的知识 ?极管、MOS管的工作原理等 器件 小规模电路 大规模电路 超大规模电路 甚大规模电路 ?电路的制备工艺：光刻、刻蚀、氧化、离子注入、扩散、化学气相淀积、金属蒸发或溅射、封装等工序 ?半导体器件物理基础：包括PN结的物理机制、双电路知识、信号与系统、EDA（电子设计自动化）等。 上一页上一页 下一页下一页 集成电路设计的关键集成电路设计的关键 电路设计，最能反映人的能动性，结合具体的电路，具体的系统，设计出各种各样的电路。 ?掌握正确的设计方法掌握正确的设计方法*

3、 ?计算机辅助设计手段，计算机辅助设计手段， EDA：电子设计自动化：电子设计自动化* ?严格的设计规范严格的设计规范 ?选择合适的实现方法选择合适的实现方法 ?选择合适的测试方法选择合适的测试方法 ?设计复用设计复用 上一页上一页 下一页下一页 集成电路设计工作集成电路设计工作 上一页上一页 下一页下一页 主要设计公司主要设计公司 上一页上一页 下一页下一页 OUTLINE 集成电路设计特点及设计信息描述集成电路设计特点及设计信息描述 典型设计流程 集成电路的设计规则和全定制设计方法 专用集成电路的设计方法 几种集成电路设计方法的比较 可测性设计技术 上一页上一页 下一页下一页 集成电路设计

4、的概念 什么是集成电路设计？什么是集成电路设计？ 根据电路功能和性能根据电路功能和性能的要求，设计出满足要求的集成电路。的要求，设计出满足要求的集成电路。 ?技术方面：正确选择系统配置、电路形式、技术方面：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。器件结构、工艺方案和设计规则。 ?成本方面：尽量减小芯片面积，降低设计成成本方面：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。本，缩短设计周期，以保证全局优化。 ?最终输出：掩模版图（最终输出：掩模版图（LayoutLayout）设计与制设计与制备间的接口。备间的接口。 ?验证：测试及系统应用。验证：测试及系统应用。

5、 上一页上一页 下一页下一页 设计的关键：设计的关键： 降低设计的复杂性，提高设计能力，尽可能使设计的芯片一次投片成功。 设计方法的关键：设计方法的关键： 约束（约束（constraintsconstraints）和抽象（）和抽象（abstractionsabstractions） 约束：通过简化问题实现自动化的设计过程。约束：通过简化问题实现自动化的设计过程。 抽象：为简化问题避免细节而进行的描述。抽象：为简化问题避免细节而进行的描述。 不同设计方法间的差别主要是不同的约束和折中的策略。不同设计方法间的差别主要是不同的约束和折中的策略。 选择设计方法的最终依据是经济因素。选择设计方法的最终依

6、据是经济因素。 上一页上一页 下一页下一页 集成电路设计特点集成电路设计特点 对对设计正确性设计正确性提出更为严格的要求提出更为严格的要求 ? 测试问题测试问题 ? 版图设计：版图设计：布局布线（集成电路设计的最终结果）布局布线（集成电路设计的最终结果） ? 分层分级设计分层分级设计(Hierarchical design)(Hierarchical design)和模块和模块化设计化设计 ?高度复杂电路系统的要求高度复杂电路系统的要求 VLSI VLSI电路：电路：10105 5个晶体管个晶体管 ?模块化设计模块化设计：不同模块完成功能不同：不同模块完成功能不同 ?分层分级设计分层分级设计

7、基于单元库设计：设计复用基于单元库设计：设计复用 ?计算机辅助设计计算机辅助设计 ?上一页上一页 下一页下一页 If you make IC design like this 上一页上一页 下一页下一页 You may end up like this When something is wrong it is very hard to find the exact cause of the problem. Design changes are expensive and introduces significant delays Or like this 上一页上一页 下一页下一页 上一页

8、上一页 下一页下一页 上一页上一页 下一页下一页 从层次和域表示分层分级设计思想 Y型图型图 目的：便于管理目的：便于管理 域：域： 行为域：集成电路的功能。行为域：集成电路的功能。结构域：集成电路的逻辑结构域：集成电路的逻辑和电路组成。和电路组成。 物理域：集成电路掩膜版物理域：集成电路掩膜版的几何特性和物理特性的几何特性和物理特性的具体实现的具体实现 上一页上一页 下一页下一页 层次：系统级、算法级、寄存器传输级层次：系统级、算法级、寄存器传输级 ( (也称也称RTLRTL级级) )、 逻辑级与电路级逻辑级与电路级 系统级系统级系统行为描述，主要指一些性能指标。系统行为描述，主要指一些性能

9、指标。 行为级、算法级行为级、算法级系统功系统功能描述，主要指一些抽象的能描述，主要指一些抽象的算法描述、控制流和数据流算法描述、控制流和数据流图。图。 寄存器传输级（寄存器传输级（RTL，数据，数据流级）流级）反映触发器、寄反映触发器、寄存器、计数器、算术逻辑运存器、计数器、算术逻辑运算单元（算单元（ALU）等功能模块）等功能模块（宏单元）间的互连。一般（宏单元）间的互连。一般用真值表和状态图反映。用真值表和状态图反映。 上一页上一页 下一页下一页 逻辑门级、门级逻辑门级、门级数字系统的主要层次，其基数字系统的主要层次，其基本单元是与、或、非及三态等各种门电路或少量本单元是与、或、非及三态等

10、各种门电路或少量触发器。门级的结构描述反映了门电路的互连方触发器。门级的结构描述反映了门电路的互连方式，一般用逻辑图和布尔方程描述。式，一般用逻辑图和布尔方程描述。 电路级、版图级电路级、版图级集成集成电路的最终输出，以几何电路的最终输出，以几何图形描述基本的元器件图形描述基本的元器件BJT、MOSFET、二极管、二极管和电阻、电容等。功能用和电阻、电容等。功能用电路的微分方程描述。功电路的微分方程描述。功能隐含于器件的物理特性能隐含于器件的物理特性中，系统特性不仅与器件中，系统特性不仅与器件的互连有关还与加工工艺的互连有关还与加工工艺有关。有关。 上一页上一页 下一页下一页 行为域行为域 结

11、构域结构域 上一页上一页 下一页下一页 物理域物理域 上一页上一页 下一页下一页 设计的展开：由高层级向低层级 ，针对不同域 ?寄存器传输级寄存器传输级（RTLRTL）以上）以上的设计通常包括的设计通常包括功能设计功能设计。 ?逻辑级和电路级的设计逻辑级和电路级的设计 通常通常是指结构域对应的是指结构域对应的 逻辑设计逻辑设计和电路设计和电路设计，以及物理域对，以及物理域对应的应的掩膜版图设计掩膜版图设计 功能设计功能设计 设设逻辑逻辑/电路设计电路设计 计计过过版图设计版图设计 程程 上一页上一页 下一页下一页 设计信息描述 需要对集成电路设计的各个方面、各个层次的需要对集成电路设计的各个方

12、面、各个层次的信息进行描述，并通过设计工具，使各个层次的信信息进行描述，并通过设计工具，使各个层次的信息可以相互间等价转换。息可以相互间等价转换。 设计信息描设计信息描述方法：述方法： 分类分类 内容内容 ?图形描述图形描述 ?语言描述语言描述 ( VHDL 语言描述语言描述 如如 语语 功能描述与逻辑描述功能描述与逻辑描述 Verilog ) 言、言、 语语言等言等 图图 形形 描描述述 功能设计功能设计 逻辑设计逻辑设计 电路设计电路设计 版图设计版图设计 功能图功能图 逻辑图逻辑图 电路图电路图 符号式版图符号式版图 , 版图版图 上一页上一页 下一页下一页 ?语言描述语言描述 ?功能图

13、：功能图： ?逻辑电路图：逻辑电路图： ?版图：版图： 上一页上一页 下一页下一页 电路图电路图 逻辑图逻辑图 （状态图）（状态图） 版图版图 上一页上一页 下一页下一页 OUTLINE 集成电路设计特点及设计信息描述 典型设计流程典型设计流程 集成电路的设计规则和全定制设计方法 专用集成电路的设计方法 几种集成电路设计方法的比较 可测性设计技术 上一页上一页 下一页下一页 理想集成电路的设计流程理想集成电路的设计流程 ( (自顶向下：自顶向下：TOP-DOWNTOP-DOWN） 系统功能设计，逻辑和电路设计，版图设计系统功能设计，逻辑和电路设计，版图设计 设计要求设计要求 功能（行为）编译器

14、功能（行为）编译器 统一数据库 性能和功能描述性能和功能描述 逻辑和电路编译器逻辑和电路编译器 逻辑和电路描述逻辑和电路描述 版图编译器版图编译器 物理版图描述物理版图描述 制版及流片制版及流片 硅编译器硅编译器silicon compiler silicon compiler ( (算法级、算法级、RTLRTL级向下）级向下） 门阵列、标准单元阵列门阵列、标准单元阵列 上一页上一页 下一页下一页 目前，还没有行为综合自目前，还没有行为综合自动设计软件，需要人工进动设计软件，需要人工进行模块划分，并进行行模块划分，并进行RTL描述和优化描述和优化 层次和综合 优化优化 优化优化 优化优化 带单

15、元库的数字集成电路：带单元库的数字集成电路：二次映射机制。二次映射机制。 综合：通过附加一定的约束条件，从高一级设计综合：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。层次直接转换到低一级设计层次的过程。 上一页上一页 下一页下一页 典型的实际设计流程典型的实际设计流程 由于EDA工具不完善，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（simulation）分析软件来完成设计 ? 各级设计需要验证 ?上一页上一页 下一页下一页 典型的实际设计流程典型的实际设计流程功能设计功能设计 功能设计功能设计 上一页上一页 下一页下一页 1 1、系统功能设计系统

16、功能设计 ?目标：实现系统功能，满足基本性能要求目标：实现系统功能，满足基本性能要求 ?过程：过程： 设计要求设计要求 上一页上一页 下一页下一页 ?输出：语言和功能图 无自动设计软件。 仿真软件：VHDL仿真器、Verilog仿真器 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辅助设计软件可处理的设计级别 ?上一页上一页 下一页下一页 典型的实际设计流程 功能设计功能设计 逻辑和电路设计逻辑和电路设计 上一页上一页 下一页下一页 2 2、逻辑和电路设计、逻辑和电路设计 ?目标：确定满足一定功

17、能的由逻辑或电路单元组目标：确定满足一定功能的由逻辑或电路单元组成的逻辑或电路结构成的逻辑或电路结构 ?过程：（数字电路）过程：（数字电路） synthesis 上一页上一页 下一页下一页 ?逻辑和电路设计的输出：网表（元件及其连接关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、时软件支持：逻辑综合、逻辑模拟、电路模拟、时序分析等软件序分析等软件 (EDA (EDA软件系统中已集成软件系统中已集成) ) ?难以综合的：人工设计后进行原理图输入，再进难以综合的：人工设计后进行原理图输入，再进行逻辑模拟（模拟电路）行逻

18、辑模拟（模拟电路） 上一页上一页 下一页下一页 单元库：一组单元电路的组合单元库：一组单元电路的组合 门电路，触发器，宏单元（功能模块）等。门电路，触发器，宏单元（功能模块）等。 ?经过优化设计经过优化设计 ?经过设计规则检查和反复工艺验证经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及特性能正确反映所需的逻辑和电路功能及特性 ?保证这部分设计的正确性，适合工艺制备，并达保证这部分设计的正确性，适合工艺制备，并达到最大的成品率。到最大的成品率。 单元库可由生产厂家提供，可由专门的设单元库可由生产厂家提供，可由专门的设 计的公司提供，可自行建立计的公司提供，可自行建立 基于单元

19、库的设计（设计复用）基于单元库的设计（设计复用） 上一页上一页 下一页下一页 目前设计公司的方式目前设计公司的方式基于单元库基于单元库 上一页上一页 下一页下一页 典型的实际设计流程典型的实际设计流程 ?电路实现电路实现（包括满足电路性能要求的电路结包括满足电路性能要求的电路结构和元件参数构和元件参数) )：调用单元库完成；调用单元库完成； 没有单元库支持：没有单元库支持：对各单元进行电路设计，通过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，直特性，之后再根据模拟结果反复修改器件参数

20、，直到获得满意的结果。到获得满意的结果。 由此可形成用户自己的单元库由此可形成用户自己的单元库 ?全定制数字集成电路设计全定制数字集成电路设计 上一页上一页 下一页下一页 典型的实际设计流程版图设计 功能设计功能设计 逻辑和电路设计逻辑和电路设计 版图设计版图设计 上一页上一页 下一页下一页 3. 3. 版图设计版图设计 ?目标：根据逻辑与电路功能和性能要求以及工艺目标：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，水平要求来设计光刻用的掩膜版图， ICIC设计的最设计的最终输出。终输出。 ?什么是版图？一组相互套合的图形，各层版图相什么是版图？一组相互套合的图形，各层版

21、图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示。来表示。 版图与所采用的制备工艺紧密相关版图与所采用的制备工艺紧密相关 上一页上一页 下一页下一页 版图设计过程： 上一页上一页 下一页下一页 版图设计过程：版图设计过程：主要是布局布线过程主要是布局布线过程 自动版图设计过程：基于单元库自动版图设计过程：基于单元库 上一页上一页 下一页下一页 版图设计过程：版图设计过程：由底向上过程，大多数基由底向上过程，大多数基于单元库实现，主要是布局布线过程于单元库实现，主要是布局布线过程 ?布图规划：布图规划：在一定约束条件下对设计进行物理划分，并初在一定约

22、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、和相对位置、I/OI/O位置，产生布线网格，还可以规划电源、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。地线以及数据通道分布。 ?布局布局：将模块安置在芯片的适当位置，满足一定目标函数。：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

23、尽量小。芯片面积尽量小。 ?时钟树产生：时钟树产生：生成时钟信号。生成时钟信号。 ?布线布线：根据电路的连接关系（连接表）在指定区域（面积、：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。度、保证布通率。 上一页上一页 下一页下一页 版图检查和验证 检查从版图中提取出网表，检查电路连接是否有错与逻辑/电路设计得到的误，如短路、开路、网表是否一致 NMOS衬底接电源等。 上一页上一页 下一页下一页 版图验证与检查版图验证与检查 ? 软件支持：成熟的软件支持：成熟的CADCAD工具用于版图编辑、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人机交互式布局布线、自动布局布线以及版图检查和验证图检查和验证 上一页上一页 下一页下一页 ICIC设计流程设计流程 总体要求总体要求 系统功能设计系统功能设计 寄存器传输级寄存器传输级 描述描述