集成电路EDA 课件1.第一章 绪论

集成电路EDA第1章

绪论学习目标认识什么是EDA。了解EDA的重要性。了解EDA的历史。了解集成电路EDA工具的类型。了解EDA国内国际发展现状。掌握VLSI设计流程。Whatweareaboutinthissequenceofclasses...VLSIandSOCEDATools人们如何设计这些复杂的芯片？答：一系列计算机辅助设计工具对芯片进行抽象描述，并逐步细化到最终设计。集成电路EDA

EDA究竟有多重要？一句话概括，EDA是芯片之母，是芯片产业皇冠上的明珠“芯片之母”EDA是用来设计大规模集成电路的，也是整个芯片环节的第一步。如果没有EDA，第一步都迈不出去，谈何制造、应用呢？如果把芯片比喻为一件设计精美的工艺品，EDA工具就是雕刻这件工艺品的刻刀，因此它对于集成电路产业的重要性自是不言而喻。EDA很重要，虽然它市场规模比较小，只有百亿美元规模，不过它撬动的却是万亿美元规模的芯片市场，就像咽喉一样，虽然很小，但能决定人的生死。”在谈及EDA的重要性时，业内专家打了这样一个比方。

没有仿真不能流片。集成电路EDA

1.1集成电路EDA集成电路EDA

CAD是早期出现计算机辅助工具时候的冠名。20世纪90年代以后，集成电路规模可达数十亿个晶体管，芯片集成度与设计复杂度日益提高。传统的CAD软件难以满足大型集成电路设计中复杂而专业性的需求，以高级语言描述、系统及仿真和综合技术为特点的EDA软件应运而生。EDA工具如今已贯穿集成电路设计与制造的全部环节。CADEDA(Electronicdesignautomation)，即电子设计自动化，集成电路EDA通常也称为ICCAD(IntegratedCircuitComputer-AidedDesign)。1.1.1什么是集成电路EDA集成电路EDA

EDA是指用于设计和开发电子系统和集成电路(IC)的软件工具和方法。它涵盖了广泛的内容，包括原理图捕获、仿真、布局设计和验证。在集成电路领域，EDA工具用于实现设计过程自动化和提高生产率。它们帮助设计人员创建和优化复杂电路，同时确保功能、性能和可靠性。EDA工具还有助于分析和验证设计，帮助识别和修复任何潜在问题或错误。1.1.1什么是集成电路EDAEDA应用集成电路EDA

EDA是集成电路产业的基石。EDA行业的全球市场规模在集成电路领域并不大，但它撬动着年产值千亿美元的集成电路行业。作为贯穿集成产业链中包括电路设计、制造、封装、测试等各环节的基础工具，EDA直接影响产品的性能和量产率。一旦EDA这一环节出现问题，整个集成电路产业乃至上层运行的数字经济产业都会受到重大影响。1.1.2集成电路EDA的重要性集成电路EDA

伴随着集成电路工艺的提升，芯片持续向集成化、微小化演进，集成电路设计和制造的复杂性与成本也逐渐攀升。因工艺水平或芯片设计失误而导致的制造失败将给集成电路企业带来巨大损失。当下先进的集成电路芯片非常复杂，可以超过10亿个电路元件，这些元件之间彼此相互作用，并且制造工艺的变化可能引入更微妙的相互作用和行为变化。如果没有与之匹配的复杂的EDA这一关键技术，就不可能设计和制造当今的集成电路芯片。1.1.2集成电路EDA的重要性集成电路EDA

EDA起初是一种专属的性能。在EDA发展成为一个细分市场之前，大型垂直一体化OEM拥有专属芯片设计和制造能力。这些企业聘请了大型软件工程师团队来开发所需的工具，以自动化执行所需制造芯片的设计、实现和验证。在此大环境下，所有芯片生产，OEM在自己的产品生产中都有运用。1.1.3集成电路EDA的历史商业EDA诞生前集成电路EDA

商业EDA工具的真正诞生基本上分三个阶段进行。第一阶段：CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）

始于20世纪60年代，见证了计算机辅助交互式图形

设计系统在商业上的应用。1.1.3集成电路EDA的历史商业EDA的诞生集成电路EDA

第二阶段：CAE（计算机辅助工程）始于20世纪80年代早期，在此期间商业专用集成电路

(ASIC)行业诞生。在此阶段，主要关注软件和一些专用

硬件，以捕获设计描述并对其进行仿真。1.1.3集成电路EDA的历史商业EDA的诞生集成电路EDA

第三阶段：EDA（电子设计自动化）在20世纪80年代的后期，EDA行业随着其第三阶段的开始而逐渐成熟。供应多款软件和硬件产品的一体化供应商，旨在实现更高程度的IC设计流程自动化，逐渐取代了只提供单一产品的公司。这一阶段由三家主要公司主导，分别是新思科技、Cadence和Mentor(现在是SiemensEDA)。1.1.3集成电路EDA的历史商业EDA的诞生集成电路EDA

模拟集成电路设计类电路设计电路仿真版图设计物理验证寄生参数提取等数字集成电路设计类功能和指标定义架构设计RTL编辑功能仿真逻辑综合静态时序仿真（STA）形式验证等工具晶圆制造类系统类封装设计封装仿真信号完整性/电源完整性分析工具PCB设计工具平板显示设计工具系统仿真工具CPLD/FPGA等1.1.4EDA工具的分类按设计产品的不同，可分为：封装类工艺与器件仿真工具（TCAD）器件建模工具工艺设计套件工具计算光刻工具掩膜版校准工具良率分析工具等集成电路EDA

模拟电路由于其电路本身特点往往采用全定制设计。也就是说，设计从原理图开始，用电路仿真工具来模拟电路的功能、性能等，并根据仿真的结果不断优化电路设计。完成电路仿真后，通过版图设计工具进行版图设计与验证，包括物理验证与电路功能和性能验证等。最后需要进行压降和电流密度等可靠性分析。目前已有的EDA工具已经涵盖了模拟集成电路设计流程的各个阶段，即从电路图输入到后仿真。模拟电路设计1.1.4EDA工具的分类集成电路EDA

常见的EDA工具：原理图捕获工具仿真工具布局设计工具验证工具等模拟电路设计1.1.4EDA工具的分类集成电路EDA

IC设计软件电子电路设计与仿真工具PCB设计软件其他EDA软件1.1.4EDA工具的分类按主要功能划分：PLD设计工具集成电路EDA

我国EDA软件的发展现状就是与国外差距巨大。目前世界上最为著名的三大EDA软件公司，分别是美国的Synopsys、美国的Cadence和西门子旗下的MentorGraphics。1.1.5EDA国际国内发展现状国际发展现状集成电路EDA

国内的EDA行业，华大九天具有在行业非常熟悉的命名为“国宝级”的熊猫EDA系统。作为我国EDA企业的支柱，华大九天目前已发展成为我国规模最大、技术最强的EDA龙头企业。1.1.5EDA国际国内发展现状国内发展现状国内EDA软件是什么水平呢？与三巨头差距有多大呢？

华大九天：国产EDA之巅，唯一国家队传承自“熊猫”，国产EDA龙头。公司创始人参与设计中国第一款具有自主知识产权的EDA工具“熊猫ICCAD系统”，技术功底扎实，行业经验丰富。公司成立于2009年，主要从事EDA工具软件的开发、销售及相关服务。主要产品有模拟电路设计全流程EDA工具系统、数字电路设计EDA工具、平板显示电路设计全流程EDA工具系统和晶圆制造EDA工具等。集成电路EDA

1.2VLSIEDAVLSIEDA

超大规模集成电路的设计对象，一般是千万个电子元器件塞到一个几平方厘米面积的芯片内。VeryLarge-ScaleIntegration（VLSI）是超大规模集成电路，那么什么样的才算超大规模的集成电路呢？什么是VLSI现代集成电路的规模都很庞大，是一个极其复杂的工艺品，它由数十亿个晶体管组成，可能有上亿个基础逻辑门，数百万个基本存储单元，数十亿个代表逻辑元件和导线的形状，以及这些电子元件在芯片表面进行了最佳排列。面对如此巨大的复杂工程，有人能做到吗？答案是，一系列非常强大的EDA工具让人们能够从稍微抽象的描述中，逐步将这些复杂得令人难以置信的工程从抽象的描述，逐步过渡到具体的描述。VLSIEDA

VLSIEDA

如何实现真正的集成电路？答案是EDA。EDA就是通过一连串的设计步骤和设计工具来完成。VLSIEDA

半定制ASIC，指使用半定制技术设计芯片。ASIC的设计流程如图1.1所示。IDEADesignspecificationDesign

entry:VerilogCodingSimulation/FunctionalverificationChipintegration/verificationScan

Chain

Insertion/Testgenaration/FaultsimulationSynthesislayouttiming/formalverificationALUModuleALU(a,b,c);Inputa,b;Outputc；DUTStimulusResponsePhysicalDesignToSign-offProduction-readymaskFrontendBackend片上系统SoC:如今SoC已经成为设计领域的主流。SoC芯片设计流程如图。芯片设计可以分成：系统级设计、前端设计与后端设计三大部分。VLSIEDA

Design1.Specification2.Patition3.RTLcoding(Verilog/SystemVerilog/VHDL)4.IPintegrationVerification1.Plan2.TestbenchandTestcase3.Regression4.IntegrationverificationRTLfreezePresynthesissign-offLogicSynthesismapRTLtogate-levelnetlistPostsynthesisdesignvalidationPostsynthesistimingverificationDFT:TestgenerationandfaultsimulationPD:placement,scanchainandCTS,cellroutingVerifyphysicalandelectricaldesignrulesExtractparasticsDesignsign-offProduction-readymasksSoC将系统做在一块芯片上。典型的SoC集成设计如图1.3所示。VLSIEDA

AMBAAHB/AXICPUMasterIFDSPMasterIFUSBControllerSlaveIFUSBPHYEthernetMasterIFEthernetPHYProtocolMasterIFPHYsCustomCoreFront-endSlaveIFPHYArbiterMemoryDVAMasterIFCustomCoreBack-endMasterIFBridgePower-Management,Clock,Reset,Test,AnalogAMBAAHBUARTSlaveIFGPIOSlaveIFBridgePCI-ExpressPCIEPHYSoC架构图由四大组成部分：核Core、存储、外设IO和总线。SoC芯片的一个经典架构如图所示。VLSIEDA

AHBPflashCH.264MEPG4AVSCPUD-cacheD-cacheJTAGMDMACSMINFCSD/SDIO/SDHAHB2APBRSAUSBAES/DESICTTimer0.1WDTAPBSystemControllerPORRSTPLLSPIUARTGPIOI2CMemBistSpareCellsIOMUXSoC作为大规模设计必然存在层次结构，SoC的层次结构图如图所示。PADin_PADout_PADio_PADA_PADenableTOPCPUIO|MUXCoreSP-SRAMDP-SRAMFlash/ROMUSBPHYCLK&RSTGenPOROSCPLLVLSIEDA

SoC封装的第一个特点是面积小。第二个特点是功耗低。SoC芯片封装如图所示。MemoryRandomLogicRandomLogicRandomLogicAnalogRFSynthesizedCoreHardCoreVLSIEDA

EDA流程如何构建深层次的内容？如何处理像片上系统设计这样的大型设计呢？最重要的一点就是抽象层次。必须将一个大问题分解成更小的步骤，每一步都用到一个或几个EDA工具，每一步都会让设计更真实更具体少一点抽象。有两种步骤：一种是在设计中向前推进的合成步骤，合成步骤主要是向“下”进行，合成步骤会沿着EDA流程图往“下”走，使设计越来越具体，直到得到真正的芯片；另一种验证步骤是逆向的，它们沿着流程往“上”走。当把这一整套步骤放在一起时，就被称为一个流程。VLSIEDA

系统规范架构设计功能和逻辑设计电路设计物理设计物理验证和签收制造封装和测试芯片端口b开始ENTITY测试；……DRCEDCLVSVLSIEDA

设计VLSI的过程非常复杂，可以分成不同的步骤。系统规范架构设计功能和逻辑设计电路设计物理设计物理验证制造封装和测试1.2.1VLSI设计流程VLSIEDA

1.2.1VLSI设计流程1.系统规范系统规范包含系统的总体目标和高级要求。这些目标和需求包括功能、性能、物理尺寸和生产技术。这部分是由芯片设计师、电路设计者、产品营销者、运营经理以及版图和库设计者共同定义的。VLSIEDA

1.2.1VLSI设计流程2.架构设计一个基本的架构必须满足系统规范。VLSIEDA

1.2.1VLSI设计流程3.功能和逻辑设计在功能设计中，只能决定高层次的行为。也就是说，每个模块的输入、输出和时序行为。逻辑设计可以用寄存器传输级来描述，即用HDL定义芯片的功能和时序行为。HDL模块必须要经过仿真和验证。逻辑综合工具自动使HDL转变为底层的电路单元。VLSIEDA

1.2.1VLSI设计流程4.电路设计综合工具自动转换布尔函数表达式为指定的门级网表、更高粒度的标准单元。然而一些低端的单元必须在晶体管级进行设计，这就是所谓的电路设计。VLSIEDA

1.2.1VLSI设计流程5.物理设计经过物理设计的过程，上述步骤产生的所有组件都将例化为每个制造层上固定形状和大小的几何图形。所有组件要在金属层上分配空间位置（布局）之后用适当的布线完成连接（布线）。物理设计必须通过后续验证。物理设计需要遵照设计规则。物理设计直接影响到电路的性能、面积、功率和可靠性等。VLSIEDA

1.2.1VLSI设计流程VLSI数字电路系统的物理设计复杂度高,将其分为几个关键步骤：电路划分布局规划电源和地网布线布局时钟树综合总体布线详细布线时序收敛VLSIEDA

1.2.1VLSI设计流程6.物理验证物理设计后的版图必须进行全面验证，包括：设计规则检查版图与原理图一致性检验电气规则检查寄生参数提取天线规则检查VLSIEDA

1.2.1VLSI设计流程7.制造经过验证的版图通常转换为GDSII格式交给代工厂流片，设计的版图在光刻工艺过程中以掩膜版（Mask）的形式影印到不同层，每一块Mask都与版图设计对应。VLSIEDA

1.2.1VLSI设计流程8.封装和测试集成电路必须通过测试。功能芯片通常需要封装，封装后的产品会通过测试来确保满足功能、时序和功耗等设计要求。VLSIEDA

软硬件协同设计指的是软件和硬件的设计同步进行。硬件架构的设计描述的是硬件的结构；软件层面的设计描述的是硬件的“动作”。1.2.2软硬件协同设计SoCEDA辅助设计SoC并基于FPGA实现流程C/汇编10111111000111机器码软件编程硬件实现VerilogVHDL仿真波形网表下载比特流到FPGA下载程序到存储器上板观察VLSIEDA

1.2.2软硬件协同设计SoC数百万门规模的系统级芯片设计，不能一切从头开始，要将设计建立在较高的层次上。一个系统包含非常多的功能部分，所有部分都要自己从头开始做吗？显然不能，而是很多部分要购买IP，IC设计是系统导向的，是IP导向的，这叫做基于IP的设计。SoC需要更多采用IP复用技术，只有这样，才能较快地完成设计，保证设计成功，得到价格低的SoC，满足市场需求。IPCore通常分为硬核、软核和固核