数字系统EDA与ASIC技术-课件PPT

1、2022-3-231 数字系统数字系统EDA与与ASIC技术技术 2022-3-232 第一章第一章 概述概述1 1. .EDAEDA技术及其发展技术及其发展2.EDA2.EDA技术的基本特征技术的基本特征3.3.基于基于EDAEDA平台的系统设计流程平台的系统设计流程 4.4.常用常用EDAEDA工具工具 5.5.专用集成电路（专用集成电路（ASICASIC）设计的发展趋势）设计的发展趋势 6.6.我国发展集成电路设计的若干措施我国发展集成电路设计的若干措施 7.7.课程课程内容与内容与实施方案实施方案 2022-3-233 一一 EDAEDA技术及其发展技术及其发展系统设计流程 2022-

2、3-234 EDA(Electronic Design Automation)EDA(Electronic Design Automation)： 指以计算机为工作平台，融合电子技术、 计算机技术、智能化技术而研制成的CAD软 件包。 功能：功能： 辅助电子系统分析与设计,PCB设计和IC设计。 2022-3-235 EDAEDA技术的发展技术的发展 （三个阶段） 2022-3-236 七十年代为七十年代为CADCAD（计算机辅助设计）阶段（计算机辅助设计）阶段 用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工画图。 八十年代为八十年代为CAECAE（计算机辅助工程）阶段（计算机辅助工

3、程）阶段 支持电路功能设计和结构设计，通过电路网表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。 九十年代为九十年代为ESDAESDA（电子系统设计自动化）阶段阶段2022-3-237二二 ESDAESDA技术的基本特征技术的基本特征（1 1）支持支持“自顶向下自顶向下”的设计方法的设计方法 这种设计方法首先从系统设计人手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证。然后，用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷电路

4、板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，提高了设计的一次成功率。2022-3-238（2）支持支持ASICASIC设计设计 现代电子产品的复杂度日益提高，一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题。解决这一问题的有效方法就是采用设计。 按照设计方法的不同可分为全定制、半定制和可编程。 2022-3-239 （3 3）采用硬件描述语言采用硬件描述语言 硬件描述语言（）是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相

5、比，它更适合大规模系统的设计。 例如一个位的加法器，利用图形输入软件需要输人至个门，而利用语言只需要书写一行“”即可。 语言可读性强，易于修改和发现错误。早期的硬件描述语言，由不同的厂商开发，互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成。 年美国国防部正式推出了高速集成电路硬件描述语言，年采纳为硬件描述语言标准（ ）。2022-3-2310（4 4）基于系统框架结构）基于系统框架结构 系统框架结构（FRAMEWORK）是一套配置和使用软件包的规范。目前主要的系统都建立了框架结构，如公司的Design Framework，Mentor公司的Falcon Framework，而且这些

6、框架结构都遵守国际组织制定的统一技术标准。框架结构能将来自不同厂商的工具软件进行优化组合，集成在一个易于管理的统一的环境之下，而且还支持任务之间、设计师之间以及整个产品开发过程中的信息传输与共享，是并行工程和自顶向下设计施的实现基础。2022-3-2311三三 基于基于EDA平台的系统设计流程平台的系统设计流程 2022-3-2312四常用四常用EDAEDA工具：工具： PSPICE：电路图编辑、电路仿真计算、波形显 示； PROTEL：电路图编辑、元件布局与布线、电路 仿真、信号完整性分析、PCB文件输出。 EWB： 电路仿真、带测量仪器。 MAXPLUS2 （QUARTUS2-3.0）：基

7、于CPLD、FPGA 数字系统设计、仿真、综合； ISE （XILINX）：基于CPLD、FPGA数字系统设 计、仿真、综合；。2022-3-2313PCB设计工具Allegro Expert美国Cadence Design Systems公司PCB设计工具SPECCTRAQuest美国Cadence Design Systems公司PCB设计用自动配置,配线工具SPECCTRA v9.0美国Cadence Design Systems公司2022-3-2314PCB用温度解析工具PCB Thermal美国Ansoft公司面向焊接的PCB用温度解析工具PCB SolderSim美国Ansoft

8、公司PCB用振动疲劳解析工具PCB Vibration Plus/PCB Fatigue美国Ansoft公司PCB/MCM用寄生电容/阻抗提取工具，回路Simulator（仿真工具）PCB/MCM Signal Integrity美国Ansoft公司2022-3-2315VHDL/Verilog-HDL Simulator（仿真工具）Active-HDL美国Aldec公司VHDL/Verilog-HDL Simulator（仿真工具），图形输入工具ModelSim/Renoir美国Mentor Graphics公司功耗解析/最优化工具（RTL）WattSmith美国Sente公司電源线宽设计工

9、具， 功耗解析工具PowerPlanner/RealPower美国IOTA Technology公司逻辑验证工具（测试向量生成）Specman Elite美国Verisity Design公司2022-3-2316电路合成工具（带有最优化配置功能）Envisia Ambit synthesis (BuildGates)美国Cadence Design Systems公司电路行为级综合合成工具（VHDL编程）BooleDozer美国IBM公司行为级综合工具（C语言编程）A|RT Designer美国Frontier Design公司High Level电路合成工具eXplorations Too

10、ls美国Explorations公司2022-3-2317Hard/Soft协调设计工具Cierto VCC Environment美国Cadence Design Systems公司ArchGen美国CAE Plus公司eArchitect美国Viewlogic Systems公司Hard/Soft协调验证工具SeamlessCVE美国Mentor Graphics公司2022-3-2318Layout设计工具（带有电路合成功能）Blast Fusion美国Magma Design Automation公司Layout设计工具DOLPHIN美国Monterey Design Systems公

11、司L-Edit Pro美国Tanner Research公司MyChip Station美国MyCAD公司CELEBRITY美国Silvaco International公司2022-3-2319五五 专用集成电路（专用集成电路（ASICASIC）设计的发展趋势）设计的发展趋势 （1 1）集成电路的发展趋势）集成电路的发展趋势 摩尔定律：集成电路每18个月在集成度上翻一番； 线宽按比例缩小的趋势会因为所谓的硅墙(silicon wall)而终止； 目前纳米计算机和“量子计算”的研究已经有一定的发展。各种其他形式的计算技术研究（如光半导体，光计算和光互连等）也在进行； 但是硅作为主要的数字信号的

12、载体，在可预见的未来，仍将是主流。 2022-3-2320619982010年年 世世 界界 半半 导导 体体 市市 场场 增增 长长 预预 测测 (亿亿 美美 元元 )1997 1998 1999 2000 2001 2005 2010总总 销销 售售 额额1370 1346 1577 1846 2214 3872 8956增增 长长 率率 (% )-1.817.2172015152022-3-23212004-2-5 中电网报道： 2007年中国IC市场850亿美元 市场研究公司iSuppli最近公布的数据显示，2007年中国电子设备产值将由2002年的1,434亿美元增长至2,700亿美

13、元，复合年增率为13.5%。 iSuppli预测，这将在2007年使中国半导体市场由2002年的312亿美元上升至850亿美元，复合年增率为22.2%。 市场研究公司IC Insights指出，中国国内芯片产量的复合年增率是20-30%。但中国的基数很小。2003年中国的IC供应商生产了12亿美元的芯片。IC Insights预测，2005年中国半导体产业占全球IC市场的份额将只有2.5%。2010年上升到5.7%。2022-3-2322北京青年报 ： 智能身份证带来200亿商机 今年3月起，国内居民纸制身份证将更换为智能身份证。有关人士估测，这一项目将为国内信息产业带来超过200亿元的产业需

14、求。 “身份证商机”有多大？根据目前公安部门提供的数字，预计全国将有10亿人申办新身份证，如果按照每张20元工本费计算，“身份证商机”的市场蛋糕应在200亿元以上。 据了解，“身份证商机”的第一桶金已被4家国内公司分获，它们分别是大唐微电子、华大、华宏以及清华同方微电子，上述4家企业将承担新身份证的芯片设计、研发和生产的全部工作，其中目前清华同方和华大已通过相关部门的认证。 2022-3-2323（2）ASIC设计流程设计流程 2022-3-23241) 1) 产品定义设计产品定义设计: : 项目的总设计师或方案组完成。2) 2) 结构设计与行为级验证结构设计与行为级验证: : 是将定义的产品

15、，完成算 法和体系结构设计，并完成算法级验证。通常采用 等高层次语言。这样的人应当有信号处理或通讯等专 业背景，一般是硕士学历或大学毕业后工作数年。3) 3) 级设计级设计: : 就是将经过验证的算法，通过硬件 描述语言(HDL)完成。 2022-3-23254) 4) 可测性设计可测性设计: : 是将电路的输出与输入建立确定的对应关系，发现产品由于加工而发生的缺陷。在电路规模很大时，这部分工作就显得尤其重要。5) 5) 逻辑综合与物理综合逻辑综合与物理综合: : 完成版图设计的最后环节。深亚微米百万门级设计在国内展开不多，要通过大量的投片实践才能实现。2022-3-2326（3 3） SOC

16、: (System on a chip)SOC: (System on a chip)2022-3-2327SOCSOC设计的诱因设计的诱因 1、缩短产品上市周期的需要。 2、IC的设计水平与制造能力之间的矛盾。 3、减少开发成本的需要。 4、通讯、计算机、消费电子等领域对IC功能要 求的提高。2022-3-23281 1SOCSOC设计的关键技术设计的关键技术 1 1）软、硬件协同设计与验证技术）软、硬件协同设计与验证技术 2 2）IPIP(intellectual property)核设计和复用核设计和复用技术：技术：即软核（Soft Core） 固核（Firm Core） 硬核（Hard

17、 Core） 3 3）低功耗设计技术低功耗设计技术 4 4）可测性设计技术可测性设计技术 5 5）深亚微米深亚微米SOCSOC的物理综合技术的物理综合技术2022-3-2329六六 我国发展集成电路设计的若干措施我国发展集成电路设计的若干措施1. 1. 发展集成电路设计制约因素分析发展集成电路设计制约因素分析 高层次的人才紧缺2022-3-2330 缺少必要的设计流程支撑体系 逻辑综合与物理综合，完成版图设计的最后环节。深亚微米百万门级设计在国内展开不多，要通过大量的投片实践才能培养。要建立一套完整的后端设计流程，需近百万美元，还必须有厂家的物理层的库支持。这也是国内集成电路设计公司难以跨越的

18、障碍。 为了更好地发展集成电路设计业，应建立长远的人才发展基础和设计流程支撑体系。 2022-3-23312 2 建立长远的人才发展基础建立长远的人才发展基础 集成电路设计是资金密集型技术密集型和智力密集型的高科技产业。其中，资金和技术可以完全引进，而人才则必须以自己培养为主引进为辅。集成电路设计的人才依然紧缺。其原因，是我们的教育远远落后于现实的需要，集成电路每年培养的人才太少，而且，这些人才又往往首先选择出国和去外企。美国在七十年代，要求每一所学校电子工程系都要开设集成电路设计课程，为美国在集成电路产业持久繁荣准备了人才基础，而顶端优势一旦形成，又会吸引世界各地的优秀人才。 目前，国家把集

19、成电路设计与软件提升为知识创新中的重中之重，国内一些经济发达城市都加紧策划，为在该领域取得最初的顶端优势而全力以赴。2022-3-23323 3 建立集成电路设计发展的技术服务支撑体系建立集成电路设计发展的技术服务支撑体系 建立集成电路设计公司的费用，主要是建立设计流程所需的软硬件费用（百万美元量级）和投片费用（0.350.25m,约812万美元左右）。 引导建立共用基础，可以使中小集成电路设计公司做大规模的芯片设计，促进行业的繁荣。 2022-3-23333.1 3.1 建立专业的设计服务公司建立专业的设计服务公司3.2 3.2 推动投片的多芯片平台计划推动投片的多芯片平台计划 0.25m一

20、次投片，通常是810万美元，如果有5个芯片参与，平均每个芯片的投片费还不到2万美元。 2022-3-2334 4 扶持有竞争力的集成电路设计公司 具备关键技术： 如CPURFMemoryMultimediaCipset 能够进行系统整合，软件能力强。 与整机厂家密切配合 2022-3-23352022-3-23365政府以项目投资引导推动集成电路设计业的发展政府以项目投资引导推动集成电路设计业的发展 在重大的具有战略性产品方面，以政府投资引导扶持集成电路设计公司的产品开发。 数字视音频产品 数字视音频产品包括数字电视（DTV） DVD/SVCD/VCD，机顶盒（STB） 高清晰度电视（HDTV

21、）。 网络产品 网络产品主要是指Internet接入和接出设备， 包括网络家电的接入接出设备。 通讯产品 GSM，CDMA手机等，BlueTooth产品等 2022-3-2337 国家国家863863项目项目1 1关键电子信息产品核心芯片的开发关键电子信息产品核心芯片的开发1.1 关键电子信息产品核心芯片及IP核需求分析及技术预 测 课题编号：课题编号：863-SOC-Y-1-1 目标：目标： 通过本课题的研究，力求把握国内外现有关键电子信息产品核心芯片的需求情况及未来五年的发展趋势；分析和提出我国关键电子信息产品芯片所需IP核的种类、数量、技术要求及主要性能指标；对“十五”期间与经济发展密切

22、相关的关键芯片及IP核的需求与技术发展进行预测，为“十五”八六三SOC重大专项的实施提供依据。2022-3-23381.2 国家级IP库的管理和运行机制研究课题编号：课题编号：863-SOC-Y-1-2目标：目标：研究我国集成电路IP库的管理模式与运行机制内容：内容： 研究国际上IP库以及相应基础设施的管理模式和运行机制，并结合我国国情，针对集成电路IP核开发、管理和使用过程中涉及的IP核标准化、维护和升级、专利（版权）保护、许可证贸易、效益分配等问题，给出我国集成电路IP库的管理模式与运行机制的建议方案 2022-3-23392. 超大规模集成电路超大规模集成电路IP核开发核开发根据我国电子

23、信息产业发展对集成电路芯片产品的要求，研究开发超大规模集成电路设计业急需的、具有良好应用前景的IP核；鼓励对已开发的、且具有良好应用前景的集成电路成果的IP核改造工作；启动我国自主的超大规模集成电路IP核系列的开发；积极推动IP核的应用，促进我国集成电路产业的良性发展。 2022-3-23402.1 2.1 微处理器类IP核课题编号：课题编号：863-SOC-Y-2-1目标：目标： 启动计算机、通信、信息安全和家电产品领域芯片设计急需的微处理器核的开发；内容：内容： 微处理器（MPU），微控制器（MCU），数字信号处理器（DSP）及协处理器（Co-Processor）等；2.2 2.2 存储器

24、类IP核课题编号：课题编号：863-SOC-Y-2-2目标：目标： 启动通信、家电、个人数字助理和智能卡等产品领域芯片设计急需的存储器核的开发；内容：内容： 静态随机存储器（SRAM），电擦除可再编程只读存储器（EEPROM），闪速存储器（Flash Memory）等；2022-3-23412.3 混合信号电路类IP核课题编号：课题编号：863-SOC-Y-2-3目标：目标： 启动通信和家电等电子产品领域芯片设计急需的混合信号电路核的开发；内容：内容： 模拟/数字转换器（ADC），数字/模拟转换器（DAC）等； 2022-3-23422.4 2.4 射频电路类IP核课题编号：课题编号：863-

25、SOC-Y-2-4目标：目标： 启动无线通信，无线接入和非接触式智能卡等产品领域芯片设计急需的射频电路核的开发；内容：内容： 低噪声放大器（LNA）等；2.52.5 接口电路类IP核课题编号：课题编号：863-SOC-Y-2-5目标：目标： 启动网络通信和信息安全等产品领域芯片设计急需的接口电路核的开发；内容：内容： 外围控制器接口（PCI）等；2022-3-23432.62.6 可编程逻辑电路类IP核课题编号：课题编号：863-SOC-Y-2-6目标：目标： 启动我国集成电路设计业急需的可编程逻辑电路核的开发；内容：内容： 现场可编程逻辑阵列（FPGA）等；2.7 智能电源电路类IP核课题编

26、号：课题编号：863-SOC-Y-2-7目标：目标： 启动移动通信和智能卡等产品领域芯片设计急需的智能电源电路核的开发；内容：内容： 直流变换器（DC-DC）等； 2022-3-23443. SOC3. SOC设计关键技术和制造关键技术研究设计关键技术和制造关键技术研究3.1 超大规模集成电路IP核接口及相关设计技术课题编号：课题编号：863-SOC-Y-3-1目标：目标： 启动超大规模集成电路IP核接口标准及相关设计技术的系统研究，为建立国家级IP库和应用平台打下一定基础，注重研究与国际接轨的IP核接口标准。内容：内容： IP核规范和接口标准研究； 2022-3-23453.23.2 软/硬

27、件协同设计（Hardware/Software Co-Design）技术课题编号：课题编号：863-SOC-Y-3-2目标：目标： 启动软/硬件协同设计技术研究和可实用的软/硬件协同设计工具开发。注重研究软/硬件的优化划分和能够生成国际主流设计工具相应的软/硬件描述。内容：内容：1） SOC系统描述方法及其编译技术；2） 软/硬件优化划分方法；2022-3-23463.33.3 超深亚微米设计关键技术课题编号：课题编号：863-SOC-Y-3-3目标：目标： 启动超深亚微米集成电路设计技术的研究，注重面向互连的电路综合技术和基于IP模块的布局规划技术等方面的研究。内容：内容：（1） 超深亚微米

28、建模与模拟技术 （Modeling and Simulation）（2） 面向互连的电路综合（Interconnect Oriented Synthesis）技术；（3）IP核的布局规划方法（IP-Based Floorplanning）；（4） SoC中可测性设计技术研究。2022-3-23473.43.4 面向SOC的工艺模块和兼容工艺技术研究课题编号：课题编号：863-SOC-Y-3-4目标：目标： 启动面向SOC的若干工艺模块和兼容工艺技术研究，注重数模混合电路和嵌入式关键电路的制造工艺模块的研究。内容：内容：（1）数模混合电路兼容工艺技术（BiCMOS等）的 研究；（2）嵌入式关键电

29、路制造工艺模块技术，如DRAM 存储器模块、信号获取模块、功率驱动模块和 射频模块等。2022-3-23483.53.5 SOC相关的新结构电路课题编号：课题编号：863-SOC-Y-3-5目标：目标： 启动若干技术可行性较为明确的新结构电路开展研究。内容：内容：SOI超深亚微米CMOS电路；3.63.6 SOC中的可靠性技术课题编号：课题编号：863-SOC-Y-3-6目标：目标： 启动对SOC可靠性有重大影响的关键技术的研究，注重从可靠性角度考虑SOC设计中器件结构和工艺的依赖性。内容：内容： 超深亚微米CMOS器件结构与电路的可靠性技术研究。2022-3-23494. 4. 超大规模集成

30、电路设计产业化环境建设超大规模集成电路设计产业化环境建设4.1 国家级集成电路设计企业孵化器建设模式与运行机 制研究 课题编号：课题编号：863-SOC-Y-4-1目标：目标： 探索国家级集成电路设计企业孵化器良性发展的运行机制。内容：内容：研究国际上较为成功的集成电路设计企业孵化器或类似组织机构的经验及其对集成电路设计企业发展的作用；研究国内已经成立的和即将成立的集成电路设计企业孵化器的运行机制；在吸收国内外成功经验和教训的基础上，结合我国特点研究对国家级集成电路设计企业孵化器的引导模式和支持模式，提出相关政策建议。2022-3-23504.24.2 国家级多项目晶圆（MPW）服务体系建设研究课题编号：课题编号：863-SOC-Y-4-2目标：目标： 研究我国MPW服务体系的管理模式与运行机制；内容：内容： 研究国际上成功的MPW服务体系的运行模式，结合我国已有的和正在兴建的集成电路生产线的发展趋势，给出我国MPW服务体系规范化运行的建议方案。2022-3-2351七