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1、第五章 集成电路设计,集成电路设计与制造的主要流程框架,设计,芯片检测,单晶、外延材料,掩膜版,芯片制造过程,封装,测试,系统需求,功能设计 逻辑设计 电路设计 掩模版图设计 计算机仿真,集成电路的设计过程: 设计创意 + 仿真验证,集成电路芯片设计过程框架,是,功能要求,行为设计（VHDL）,行为仿真,综合、优化网表,时序仿真,布局布线版图,后仿真,否,是,否,否,是,完成,设计业,引 言,半导体器件物理基础：包括PN结的物理机制、双极管、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
2、溅射、封装等工序 集成电路设计：另一重要环节，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，可以以不变应万变，随着电路规模的增大，计算机辅助设计手段在集成电路设计中起着越来越重要的作用,引 言,什么是集成电路？(相对分立器件组成的电路而言) 把组成电路的元件、器件以及相互间的连线放在单个芯片上，整个电路就在这个芯片上，把这个芯片放到管壳中进行封装，电路与外部的连接靠引脚完成。 什么是集成电路设计？ 根据电路功能和性能的要求，在正确选择系统配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下，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
3、，设计出满足要求的集成电路。,设计的基本过程 功能设计 逻辑和电路设计 版图设计 集成电路设计的最终输出是掩膜版图，通过制版和工艺流片可以得到所需的集成电路。 设计与制备之间的接口：版图,设计特点和设计信息描述,设计特点(与分立电路相比) 对设计正确性提出更为严格的要求 测试问题 版图设计：布局布线 分层分级设计(Hierarchical design)和模块化设计 高度复杂电路系统的要求 什么是分层分级设计？ 将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低的设计级别，这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级别；这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足够低，也就是说，能相当容易地由这一
4、级设计出的单元逐级组织起复杂的系统。一般来说，级别越高，抽象程度越高；级别越低，细节越具体,从层次和域表示分层分级设计思想,域：行为域：集成电路的功能 结构域：集成电路的逻辑和电路组成 物理域：集成电路掩膜版的几何特性和物理特性的具体实现 层次：系统级、算法级、寄存器传输级(也称RTL级)、 逻辑级与电路级,设计信息描述,举例：x=ab+ab；CMOS与非门；CMOS反相器版图,什么是版图？一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示。 版图与所采用的制备工艺紧密相关,设计流程,理想的设计流程(自顶向下：TOP-DOWN） 系统功能设计，逻辑和电路设计，版图设
5、计,典型的实际设计流程,需要较多的人工干预 某些设计阶段无自动设计软件，通过模拟分析软件来完成设计 各级设计需要验证,典型的实际设计流程,1、系统功能设计 目标：实现系统功能，满足基本性能要求 过程：功能块划分，RTL级描述，行为仿真 功能块划分 RTL级描述（RTL级VHDL、Verilog) RTL级行为仿真：总体功能和时序是否正确,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设计软件可处理的设计级别,算法级：包含算法级综合：将算法级描述转换到 RTL级描述 综 合： 通过附加一定的约束条
6、件从高一级设 计层次直接转换到低一级设计层次的过程 逻辑级：较小规模电路,实际设计流程,系统功能设计 输出：语言或功能图 软件支持：多目标多约束条件优化问题 无自动设计软件 仿真软件：VHDL仿真器、Verilog仿真器,实际设计流程,2、逻辑和电路设计 概念：确定满足一定逻辑或电路功能的由逻辑或电路单元组成的逻辑或电路结构 过程： A.数字电路：RTL级描述 逻辑综合 逻辑网表 逻辑模拟与验证，时序分析和优化 难以综合的：人工设计后进行原理图输入，再进行 逻辑模拟,电路实现（包括满足电路性能要求的电路结构和元件参数)：调用单元库完成； 没有单元库支持：对各单元进行电路设计，通过电路模拟与分析
7、，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，直到获得满意的结果。由此可形成用户自己的单元库,单元库：一组单元电路的集合 经过优化设计、并通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以及性能，适合于工艺制备，可达到最大的成品率。 单元库可由厂家提供，可由用户自行建立,B. 模拟电路：尚无良好的综合软件 RTL级仿真通过后，根据经验进行电路设计 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 软件支持：逻辑综合、逻辑模拟、电路模拟、时序分析等软件 (EDA软件系统中已集成),实际设计流程,3. 版图设计 概念：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， IC设计的最终输出。 什么是版图？一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示。 版图与所采用的制备工艺紧密相关,版图设计过程：由底向上过程 主要是布局布线过程 布局：将模块安置在芯片的适当位置，是指根据连接关系，确定各单元的位置，使芯片面积尽量小。 布线：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，优化连线长度、保证布通率。,