IC设计基本知识

IC设计的定义IC设计是将系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图的过程，也是一个把产品从抽象的过程一步步具体化、直至最终物理实现的过程。为了完成这一过程，人们研究出了层次化和结构化的设计方法。层次化的设计方法能使复杂的系统简化，并能在不同的设计层次及时发现错误并加以纠正。结构化的设计方法是把复杂抽象的系统划分成一些可操作的模块，允许多个设计者同时设计，而且某些子模块的资源可以共享。IC的分类ic按功能可分为：数字ic、模拟ic、微波ic及其他ic，其中，数字ic是近年来应用最广、发展最快的ic品种。数字ic就是传递、加工、处理数字信号的ic，可分为通用数字ic和专用数字ic。专用ic（ASIC）：是指为特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的电路。目前，集成电路产品有以下几种设计、生产、销售模式。1、 ic制造商（IDM）自行设计，由自己的生产线加工、封装，测试后的成品芯片自行销售。2、 ic设计公司（Fabless）与标准工艺加工线（Foundry）相结合的方式。设计公司将所设计芯片最终的物理版图交给Foundry加工制造，同样，封装测试也委托专业厂家完成，最后的成品芯片作为IC设计公司的产品而自行销售。通用ic：是指那些用户多、使用领域广泛、标准型的电路，如存储器（DRAM）微控制器（MCU）及微处理器（MPU）等，反映了数字ic的现状和水平。世界IC设计产业发展的大趋势自ic设计公司诞生以来，其灵活的经营模式显示出旺盛的生命力，由于船小掉头快，紧跟世界热点的半导体应用市场，注重于产品的创新设计，再加上相关的Foundry公司服务体系逐趋完善和加工价格便宜，使其以超常速度发展，并体现出以下特点和发展趋势：1、 龙头性ic设计是研究和开发ic的第一步，也是最重要的一步。没有成功的设计，就没有成功的产品。一个好的ic产品需要设计、工艺、测试、封装等一整套工序的密切配合，但设计是第一道。2、 创造性ic设计是一项创造力极强的工作。对于每一个品种来说，都是一个新的挑战，这有别于ic生产制造工艺。3、 市场性IC设计在整个集成电路产业链中是最接近应用市场的环节，通过拓展新的应用领域，带动整个产业的发展跃上一个新的台阶。4、 紧迫性一般说来，一个ic的工艺加工周期是固定的。要想快速地开发出适销对路的产品，其速度决定于设计。所以设计师所面临的是以最快的速度设计出正确的、效益最大（成本最低）的产品。5、 更新性IC设计技术日新月异。软件技术特别是辅助设计软件（EDA）也是每2〜3年就有一个比较大的更新。6、 合作性由于技术的发展，在ic设计中的分工合作就显得越来越重要。任何人都不可能成为所有设计阶段的专家，而只能成为某一方面（如逻辑、版图、建库）的专家。一个成功的设计必须由多个专家的共同努力才能完成。7、 竞争性一是设计技术不断更新，二是软件不断推陈出新，平均每五年就有一代新技术面世，所以ic设计企业只有不断地进取，才能跟上时代的发展。8、 风险性ic设计师在产品的开发中所担的风险是很大的，任何一点失误都会带来产品开发的失败。ic设计流程本文简单讲述在拿到集成电路规格（SPEC）之后到送交GDSII文件之前的设计流程。集成电路按内部构成分类，有纯模拟芯片，如电源管理芯片；纯数字芯片，如数字信号处理芯片；混合信号芯片。以数模混合芯片的设计为例讲述设计流程。数模混合芯片用数字部分实现芯片主体功能，模拟电路服务于数字电路功能的实现。现阶段大多数数字电路芯片都用同步数字电路实现，少数手搭的异步数字电路芯片不在此文论述之列。数字电路对模拟信号的依赖有两个方面：一是数字电路的时钟，二是数字电路与外围模拟世界的接口。具体实现的方式，是锁相环（PLL）搭配晶振实现高质量时钟脉冲；外围接口按输入接口和输出接口为ADC、DAC两大类，即模数转换器，数模转换器。除此之外的模块都是为这两大类模拟模块服务的，如稳定电压模块，参考电压源，振荡器等。通常说的模拟电路设计工程师大都集中于这两类模块的设计。传统模拟电路的设计是按照规格定义的要求，选用已经用于工业的成熟的模块，组合形成满足于规格要求的电路，用仿真软件，如HSPICE，SPECTRE仿真组合成的电路，验证各项指标，如果符合规格要求，则交付后端设计人员。现阶段中国大陆模拟模块的创新少，创新的结构不多。因此，模拟电路设计人员的一项硬功夫，就是要熟背成熟的各类电路模块，在需要的时候直接调用，不宜盲目求新求奇。线路图交给后端设计人员画好版图以后，可用寄生参数提取工具，提取出版图中的寄生电阻和电容（没有电感），提取的电阻电容直接以SPICE的格式形成文本文件，结点与LVS中的原始原理图结点一致，因此，将此RC文本文件直接在HSPICE的输入文件中INCLUDE进来，再次运行HPICE等，即完成所谓“后仿真”。后仿真合格后，版图可交付生产。数字电路分全定制和硬件描述语言实现两种做法。全定制就是直接用基本门搭建电路，一般用在小规模的芯片上，可以节省面积，优化性能，缺点是周期长，难度大，易出错。硬件描述语言是用VerilogHDL或VHDL作行为级功能描述（Verilog有数据流描述，行为描述，结构化描述三种描述方式），使用Verilog编写的测试向量用Verilog仿真软件（如Verilog-xl）作功能性仿真。仿真合格，则说明功能正确。下一步是将功能正确的HDL文件作物理实现。以Verilog为例。行为级描述的Verilog是没有办法直接物理实现的。物理实现的途径是将行为级描述的功能用基本的门电路搭建出来。Verilog的结构化描述方式支持晶体管级原语，门级原语，模块实例化原语三种结构化的描述方式，只有结构化的描述方式的Verilog才能与门电路一一对应，称为门级结构化描述的Verilog，通常简称为门级Verilog。将行为描述（行为级可实现寄存器传输级RTL，体系结构级，算法级三种级别，行为级一般在RTL级实现）的Verilog转化为结构化描述（门级）的Verilog的过程，叫作“综合”（Synthesis），综合的工具叫DesignCompile。综合后的门级Verilog交给自动布局布工程师自动布局布线以后，生成版图。将数字和模拟的版图整合（可在全定制版图工具中进行，也可以自动布局布线工具中进行）在一起，作全芯片的物理验证以后，交付生产。如何在基于单元的ASIC和结构化ASIC之间进行抉择随着90纳米工艺技术的出现，ASIC设计者开始探索更高水平的性能和密度。然而，从串扰、噪声到IR降和时序收敛等一系列富于挑战性的设计完整性问题也随之产生。而日益增多的硅集成方案使开发过程进一步复杂化，今天的设计者可以使用基于单元的或结构化ASIC方法学来实现各种设计。总体设计目标我们的加速器IC设计项目是在我们小组的工程师们发现在基于互联网的大通讯量应用系统中有一系列通讯模式被一次次地重复的时候启动的。目前，人们常常使用Xeon、Opteron等奔腾级通用服务器来处理这些计算。实际应用证明，对于这样的高度专用的算法，通用CPU的处理效率非常低下。显然，一种可能的方案是以专用加速器IC的形式用硬件来实现这些关键的算法。我们在很久以前就开始在个人计算机中使用加速器。在处理器设计者转向更高密度的工艺技术并把协处理器功能集成到芯片上以前，我们在许多年里广泛使用数学协处理器。另外，早期的模拟调制解调器的设计者也使用专用的数字硬件来提高性能。我们在几年时间里使用这种硬件以数字方式对信号进行处理，直到后来出现了其它技术。从那时开始，这些功能已经大多被吸收到奔腾处理器的SIMD（单一指令多重数据）指令中。目前，设计者们依然使用加速器进行视频图像处理-通过在专用加速器中实现这些功能，产品开发者可以以几分之一的成本提供与一组通用处理器相媲美的性能。今天的互联网通讯中也存在类似的情况。由于许多使用公共密钥加密法的保安功能向主处理任务增加了过多的数据，导致系统效率非常低下，甚至只能传送相对少量的数据。而基于专利加密方案、以硬件实现的专用保安器件可能会严重影响系统的性能。类似地，XML语言 种为便于使用万维网上各种不同结构的文件而设计的标识编程语言，使用量的快速增长向服务器设计者提出了新的挑战。XML语言被广泛用于在异类系统之间翻译数据库、在异类电子商务系统中匹配不同的域或在不同网址之间交换数据。但重复处理大量的格式转换可能会使计算资源迅速消耗殆尽。专用加速器IC可以把系统处理器从这个开销中解脱出来，进而极大地提高系统的吞吐量。这样的系统可能要求使用高度复杂的高密度ASIC。为最大限度地提高性能，加速器芯片必须把用于实现算法的逻辑、架构和数据转移操作的多个并行实现组合在一起。在该应用中，需要对数据进行既具深度又具广度的处理。在广度方向，核心处理器把各个管道化FIFO序列克隆成多个并行的副本，以进一步倍乘系统的性能。依靠在输入端和输出端连接到外部DDRDRAM的接口，该芯片的数据处理量远远超出该芯片在以极高速度运行时通常能够处理的数据量。在深度方向，多个管道化级对每个数据包完成各种比较和数学操作。这些管道在输入和输出端口具有FIFO特性。这样，一个管道化级的输出被转换到另一个管道化级进行进一步的数据处理。一个输出的吞吐速率达到每时钟最高250MHz。据该小组估计，要满足性能要求，该设计将需要约500万个门和超过5Mb的最先进的高速SRAM。该芯片将配备高性能I/O和用于与片外高速DDR2存储器互连的存储器控制器。由一个嵌入式PCI-X接口内核来提供到服务器的高速链接。诊断和测试功能由一些附加的片上总线支撑。系统分割设计者们需要最先考虑的是在该器件中SRAM配置需要多大的灵活性。如果在基于单元的ASIC中实现该器件，设计者可以自行选择在该设计中想要使用的SRAM模块的尺寸和数目。在结构化ASIC中，存储器选择受到更大的制约。每个主控薄片(masterslice)所包含的SRAM，尺寸和数目是固定的。因而，该小组首先考虑是否可以使用结构化ASIC平台中提供的SRAM配置高效地实现该设计。在考察了各家领先的结构化ASIC制造商提供的众多产品之后，该小组认定这个限制不是一个制约性因素。第二个需要考虑的重要因素是该设计小组的专业知识。同该行业的许多设计小组一样，近年来的预算削减严重影响了人员的设计技能。虽然该小组在一些设计领域(如存储器接口和IP集成)依然具有深入的经验，最近的预算削减损害了该小组处理信号集成和测试问题的能力。进一步，只有少数工程师具有实现高速串行互连的能力。最后，该小组有限的预算使得他们几乎无力添置解决这些问题所需要的资源。从性能角度看，在90nm基于单元的ASIC中实现该设计是最具吸引力的方案。对于同一个设计，采用相同的90nmCMOS工艺，与结构化ASIC相比，通过优化所有功能块并对整个IC布局保持准确控制，基于单元的ASIC可以把性能提高20%左右。在功率耗散方面，90nm基于单元的方法也提供最优的方案。据该小组估计，对于同样的芯片，用90nm结构化ASIC设计将比可比的基于单元的ASIC多消耗约70%的功率。开发周期该设计小组的下一个关键问题是上市的时间目标。最初的产品开发时间表要求在半年左右时间内完成芯片设计。考虑到市场条件的快速变化和新竞争者的不断涌现，该设计小组认为较长的设计周期将会大大增加产品成功的风险。该ASIC设计小组认为，标准单元方法更为严重的信号完整性和功率完整性问题将导致开发周期大幅度延长-这将严重影响该项目的攻击性时间计划的执行。要解决信号完整性、功率和时序收敛问题，很可能需要进行多轮反复设计。为了尽可能减小这些问题，设计者将需要花费更多的时间来检查完整性、电源网络(powergrid)设计和时钟树分配。如果该小组纠缠于多个试验，布局所需时间很可能会延长。毫无疑问，提交设计的时间将难以预测。进一步，在该小组达到了这个目标之后，通常还要经过8周或更长的制造周期。总之，该小组估计在基于单元的ASIC中开发该芯片将需要12到18个月。处理这些问题也要求设计者在串扰、接地反弹和电源噪声等方面有坚实的基础。对于一个缺乏信号完整性经验且预算不足的设计小组来说，这个要求是一个重大挑战。经过比较，该小组确信使用结构化的ASIC也可以达到同样的目标，同时，所需时间将大大缩短，风险将大大减小。结构化ASIC可通过减少在设计过程中的掩模步骤来缩短开发周期。在采用标准单元实现时，设计者需要配置该器件的每个层，与之不同，结构化ASIC在最开始的几个层里嵌入了预配置的逻辑、存储器和I/O。设计者只需配置最后几个金属层就可以为其特定的应用定制该器件。在结构化ASIC中，时钟树和电源网络(powergrid)是预定义和预描述的。由于物理综合工具可以主动使用电源和时钟网络作为物理综合的输入，信号完整性、电源完整性和时序收敛等问题非常容易解决。进一步，这也降低了在许多基于单元的标准设计中常见的多次反复设计的可能性。另外，它还向后端工艺提供一个更紧密的链接，使得一次成功的可能性大大提高。经过广泛的研究之后，这些设计者决定使用结构化ASIC。他们可以在不过两到三个月的时间里把其设计从网表转换成工程样机，进而大大提高达到其严紧的开发时间表的能力。图2显示了在IC设计流程中的各个阶段结构化ASIC和基于单元的ASIC通常所需要的时间。IC设计产业化实例-HDTVHDTV系统中最能体现我国自主知识产权的部分是HDTV接收机中的核心部件一一信道解码芯片。从实现的方式来看，目前主要是一种固化在芯片中的算法；从结构来看，由四块FPGA(现场可编程门阵列)芯片搭建而成，每块的价格约为2万元人民币，使HDTV接收机的成本远远高于普通百姓所能承受的价格，成为HDTV技术产业化、应用普及化的瓶颈。如采用全定制方法设计出专用芯片，则这一部分的价格将降至80〜20美元，而且也能充分体现我国的自主知识产权，有巨大的经济效益和社会效益。ic设计与软件开发看下面的例子//verilogHDLforbym4,beh10_behavioralmodulebeh10(r);OUTPUTr;regr;reg[2;0]i;initialbeginr=0;for(i=0,i<=5,i=i+1)r=#(i*10)i[0];endendmodule这段用硬件描述语言编制的源程序模块经编译后，通过EDA软件，完成的逻辑级描述和电路级描述，最后形成版图文件，根据版图文件制作掩膜版，在特定的工艺条件下加工制造，封装测试后的成品芯片具有以下功能：若从芯片的某个特定引脚输入周期为10的脉冲方波r，则从芯片的另一个特定引脚输出如下波形：ic设计与软件开发的相同之处开发过程。目前，ic的设计多采用"自顶向下"的设计方法，逐步细化功能和模块，直至设计环境能够提供的各类单元库；整个过程与软件开发相同。使用的工具。ic设计领域中，EDA软件与计算机已居于主导地位。如上面波形图的例子所示，用运行于计算机上的硬件描述语言(HDL)来进行ic设计，现有的HDL语言如VHDL、VerilogHDL等均与PC软件开发工具C语言类似。（3）最终产品。与软件一样，ic设计最终的产品将以一种载体体现，对于软件来说是磁盘中的二进制可执行代码，对于ic来说就是满足用户速度与功能乘积（衡量ic设计水平的重要标志："速度功耗积"）的芯片。软件是通过硬件来体现的，硬件是软件的载体；对于ic设计企业来说，如果没有Foundry线代为加工的芯片，那么其设计成果将无法体现。ic产业得变化及其发展历程世界ic产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三次变革。第一次变革：以加工制造为主导的ic产业发展的初级阶段。70年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。这一时期ic制造商（IDM）在ic市场中充当主要角色，ic设计只作为附属部门而存在。这时的ic设计和半导体工艺密切相关。ic设计主要以人工为主，CAD系统仅作为数据处理和图形编程之用。ic产业仅处在以生产为导向的初级阶段。第二次变革：Foundry公司与ic设计公司的崛起。80年代，集成电路的主流产品为微处理器（MPU）、微控制器（MCU）及专用IC（ASIC）。这时，无生产线的ic设计公司（Fabless）与标准工艺加〔（Foundry）相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。随着微处理器和PC机的广泛应用和普及（特别是在通信、工业控制、消费电子等领域），ic产业已开始进入以客户为导向的阶段。一方面标准化功能的ic已难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求，同时整机客户则要求不断增加ic的集成度，提高保密性，减小芯片面积使系统的体积缩小，降低成本，提高产品的性能价格比，从而增强产品的竞争力，得到更多的市场份额和更丰厚的利润；另一方面，由于ic微细加工技术的进步，软件的硬件化已成为可能，为了改善系统的速度和简化程序，故各种硬件结构的ASIC如门阵列、可编程逻辑器件（包括FPGA）、标准单元、全定制电路等应运而生，其比例在整个ic销售额中1982年已占12%；其三是随着EDA工具（电子设计自动化工具）的发展，PCB设计方法引入ic设计之中，如库的概念、工艺模拟参数及其仿真概念等，设计开始进入抽象化阶段，使设计过程可以独立于生产工艺而存在。有远见的整机厂商和创业者包括风险投资基金（VC）看到ASIC的市场和发展前景，纷纷开始成立专业设计公司和ic设计部门，一种无生产线的集成电路设计公司（Fabless）或设计部门纷纷建立起来并得到迅速的发展。同时也带动了标准工艺加工线（Foundry）的崛起。第三次变革："四业分离"的ic产业90年代，随着INTERNET的兴起，ic产业跨入以竞争为导向的高级阶段，国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争。以DRAM为中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过去。人们认识到，越来越庞大的集成电路产业体系并不有利于整个ic产业发展，"分"才能精，"整合"才成优势。于是，ic产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面，近年来，全球ic产业的发展越来越显示出这种结构的优势。如台湾ic业正是由于以中小企业为主，比较好地形成了高度分工的产业结构，故自1996年，受亚洲经济危机的波及，全球半导体产业出现生产过剩、效益下滑，而ic设计业却获得持续的增长。特别是96、97、98年持续三年的DRAM的跌价、MPU的下滑，世界半导体工业的增长速度已远达不

到从前17%的增长值，若再依靠高投入提升技术，追求大尺寸硅片、追求微细加工，从大生产中来降低成本，推动其增长，将难以为继。而ic设计企业更接近市场和了解市场，通过创新开发出高附加值的产品，直接推动着电子系统的更新换代；同时，在创新中获取利润，在快速、协调发展的基础上积累资本，带动半导体设备的更新和新的投入；ic设计业作为集成电路产业的"龙头"，为整个集成电路产业的增长注入了新的动力和活力。如何帮助模块制造商缩短开发周期MAXIM作为一家重要的半导体厂商，针对光模块市场提供完备的解决方案。针对长波通信模块，MAX3738/MAX3646/MAX3735激光驱动器和MAX3747/MAX3748后置放大器作为成熟的解决方案深受市场欢迎。MAX37991.0625Gbps至14.025Gbps低功耗多速率限幅放大器和VCSEL驱动器则是针对短波SFP和SFP+模块推出的高性能、低成本方案。该器件非常适合数据速率为1.25Gbps的1000BASE传输系统和数据速率为10.3125Gbps的10GBASE-SR传输系统。针对突发通信模式，MAXIM率先推出了MAX3656激光驱动器，能够支持155Mbps至2.5Gbps数据速率。激光驱动器可接受PECL或CML数据输入，为激光二极管提供偏置电流和调制电流。器件在小于2ns的时间内将激光二极管由完全关断恢复到完全开启。供电电压可低至3V。数字自动功率控制(APC)环路使平均光功率在整个温度范围和工作寿命内保持恒定。APC环路工作在576ns最小突发开通时间和96ns最小突发关断时间，最大突发开通或关断时间没有限制。故障监测器用来指示APC环路无法保持恒定的平均功率。IC厂商的应用支持对于光模块设计非常重要，借助MAXIM的参考设计，光模块制造商可以缩短研发周期和降低开发风险。MAXIM专家的全力配合也为客户研发提供了有利的技术支持，今年上半年我们在中国市场取得了两位数的增长传统ic设计流程图♦AS.AA♦AS.AA新的ic设计流程图妍的tCift订JUS时间ic设计中的各个阶段StructuredASIC=10weeksLogicsynthesisTestdesignTimingdesignEngineeringsampleturnaroundCell-basedASIC=25weeksSource:NECElectronicsAmericaInc.Byusingpredefinedmetallayers,astructuredASICsignificantly

reducesdesigntimecomparedtoaced-basedASIC„开关/控制器ic设计原理图ic设计图片「48光电转槌器48SE狄书潺值僮一SGb词T-孕-方逼度检浏二祓蓄CML辎人何通建(2.5GbpS)LDD光

蝶测器

葬列CML输出佝置全球ic设计业概况声占率VCSEL

阵列4建消*(2t5Gbps}TTkA微控制器内置测试控制信号(LVCMOS)全球,C设计业概况■innavalianL&sdi/igEdgeCDMA,FPGA,Graphics,Ccimmufiicfitton500+Fabjess*FastFollbwers*CostReducticMis,T.*PC,Consumer厂Taiwan_ ■InnovatioRip,Complication“OWl囱3*DomoalK：DennTidQrieniecl

'Consunier19&02M0兴起时期中国现今最具潜力IC设计公司2009年已经接近尾声，中国微电子公司已经慢慢成熟，以下介绍的十家公司大都发展不错，这也与中国集成电路设计业整体环境不错相一致。具体见下：1、上海摩威电子科技有限公司2008年融资760万美元，推出媒体协处理器，并在联想等品牌手机中成功应用，到目前为止应当说摩威还算不错。2、杭州国芯科技有限公司直播星受益厂商，受益程度仅次于北京中天联科