超大规模集成电路.doc

目 录摘要1关键词1Abstract1Key words11 引言12 超大规模集成电路的设计要求13 超大规模集成电路的设计策略23.1 层次性23.2 模块化23.3 规则化23.4 局部化24 超大规模集成电路的设计方法34.1 全定制设计方法34.2 半定制设计方法44.3 不同设计方法的比较55 超大规模集成电路的设计步骤65.1 系统设计75.2 功能设计75.3 逻辑设计75.4 电路设计75.5 版图设计75.6 设计验证85.7 制造85.8 封装和测试86 超大规模集成电路的设计流程86.1 总体的设计流程86.1.1 高层次综合86.1.2 逻辑综合86.1.3 物理综合96.2 详细的设计流程97 超大规模集成电路的验证方法97.1 动态验证97.2 静态验证97.3 物理验证98 总结9致谢10参考文献10超大规模集成电路网络工程专业学生 孙守勇指导教师 吴俊华摘要：随着集成电路的高速发展，集成电路的设计显得越来越重要，目前设计能力滞后于制造工艺已成为世界集成电路产业的发展现状之一。为了明确超大规模集成电路设计的理想方法，首先对超大规模集成电路的设计要求进行了调查，然后对超大规模集成电路的设计策略进行了研究，探讨了超大规模集成电路的不同设计方法，并对不同的设计方法做出了比较，明确了超大规模集成电路的设计步骤及设计流程，最后探讨了超大规模集成电路的验证方法。关键词：集成电路 设计 方法 步骤Very Large Scale IntegrationStudent Majoring in Network Engineering Sun Shouyong Tutor Wu JunhuaAbstract: With the high speed development of integrated circuit, the design of integrated circuit is becoming more and more important. At present, the design capacity behind manufacture technology has become one of the worlds integrated circuit industry development current situation. In order to specify the ideal method of VLSI design, first of all, the requirements of VLSI was investigated, then, the design strategy of VLSI is studied. Discuss different methods of VLSI, and made a comparison of different methods. Clear and definite the design steps of very large scale integrated circuit and the design process, finally, discuss the validation method of very large scale integrated circuit.Key words：integrated circuit; design; method; step1 引言自从1959年集成电路诞生以来，经历了小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）的发展历程，目前已进入超大个规模(VLSI)和甚大规模集成电路(ULSI)阶段，集成电路技术的发展已日臻完善，集成电路芯片的应用也渗透到国民经济的各个部门和科学技术的各个领域之中，对当代经济发展和科技进步起到了不可估计的推动作用。随着集成电路的设计和制作水平的提高，制造工艺的不断改进，集成电路的集成密度越来越高，已经能够将一个复杂的系统集成到一块芯片之中。集成电路的设计是连接市场和制造之间桥梁，是集成电路开发的入口，成功的产品来源于成功的设计。VLSI的设计与中小规模集成电路的设计思想和方法不太一样，是以CAD为基本工具，以集成系统的逻辑设计和版面设计为基本内容。2 超大规模集成电路的设计要求随着集成电路的设计和制作水平的提高，已经能将一个复杂的系统集成到一块芯片之中，因此VLSI芯片设计不仅要进行电路设计，还要进行VLSI系统设计。通常VLSI的设计任务分为系统结构、功能描述、逻辑设计、版图设计和模拟检验等，而芯片的制作加工任务可分为淹膜制作、芯片加工、封装、芯片测试可靠性检验等。工业上实现一个超大规模集成电路芯片是一个极为复杂的任务，在芯片的设计过程中，首先要明确的VLSI的设计要求，即设计周期要求、设计成本要求、设计正确性要求和性能要求、设计过程集成化要求和VLSI可测试性要求，其中设计正确性要求是最基本的设计要求。衡量一个芯片的设计性能指标，主要由以下四个参数来确定：1） 芯片的性能，包括速度、功耗、功能。2） 版图布局密度，即芯片的面积。3） 设计所花费的时间。4） 可测试性，即芯片是否便于测试。芯片的价格是随着芯片的面积而呈指数上升的，从这一点考虑应尽量缩小芯片的面积；而从芯片的性能考虑，最好是尽可能地将一个系统全部装入一个芯片内，这样功能最强，且所有器件靠的很近，速度最快；设计时间主要取决于所采用的设计风格，而设计风格对芯片的性能又有很大影响，此外，在设计一个复杂的系统时，还要考虑有效的、可靠的测试设计法。因而设计时要反复均衡以上四个性能指标，以实现最佳的设计。3 超大规模集成电路的设计策略由于超大规模集成电路的系统规模大，芯片面积小，设计复杂性很高，为了降低设计的复杂度，一般采用的策略就是将一个复杂的系统功能划分成多个可以独立设计的简单部分，将总的设计任务根据逻辑功能框图由繁到简，由大到小的多层次分解，直到得到最简单的基本单元。把一个系统分解成多个子系统大大降低了设计的复杂性，个各部分单独设计，使子系统的设计与修改只影响系统本身，不影响其他子系统或整个系统。结构设计策略采用了层次性、模块化、规则化和局部性等技术，减少了VLSI的设计复杂度。3.1 层次性层次化就是将系统划分成子系统，再将子系统划分成更小的子系统，这样连续分解下去，最终分解成只包含版图的最原始的基本单元。层次化设计可分为三类：自底向上、自顶向下以及两者相结合的策略。层次式设计又有系统划分与布图规划两种方法。 系统划分是在功能设计与寄存器级设计完成后，将模块划分成合适的单元组合，然后分别对单元电路进行逻辑级、电路级乃至版图级的设计。划分的关键是评价函数的确定。 布图规划是与全定制设计功能级并行的工作芯片面积的规划，其目的是为每个模块确定一个布图面积的大小及在芯片上的相对位置。在布图规划中，只是在较高层次上完成了对软模块的形状和大小的估计，以及它们的引线端的分配。3.2 模块化模块是指有明确定义的物理接口，包括模块名称、功能、层类、尺寸与外部互连端点的数目、名称及位置等，如目前广泛使用的IP模块。模块化设计是指一个系统只需经过一次分解就可得到子系统。 模块化有助于设计人员明确问题并做出文件接口，每个人只设计芯片的一部分，这样就将复杂的问题简单化。模块化通常采用单元重复的方法，这是结构化设计的一种好方法，既简化设计又减少错误，同时使结构规则化。3.3 规则化规则化是指模块内部可以随功能不同而不同，但模块间的接口如电源、地线、时钟线、总线等是公共的。规则化可以在设计层次的所有级别上存在，采用单元重复的方法是结构化设计的一种好方法，这样既简化设计，又减少错误，同时使结构规则化。3.4 局部化通过对模块接口的很好定义，可以有效地使该模块的内容变得对任何外部接口不再重要，可以将每个模块看作一个黑盒子。设计时不关心模块内部的情况，这样减少了模块表现的复杂性。4 超大规模集成电路的设计方法4.1 全定制设计方法全定制设计方法适用于得到高速度、低功耗、最省面积的芯片设计。在全定制设计方法中，当确定了芯片的功能、性能、允许的芯片面积及成本后，就要对结构、逻辑、电路等各个层次进行尽心的设计，通过对各种方案的反复比较，以及影响影响性能的关键路径做出详细分析，一旦确定之后就进入全定制版图设计，图4-1给出了全定制设计模式的设计流程。功能设计要求设计说明功能设计寄存器模块的逻辑设计测试数据输出测试图形生成寄存器传输级设计逻辑单元的电路设计单元版图设计与验证布图规划芯片版图设计芯片版图验证掩膜版数据输出电学参数设计规划图 4-1全定制设计模式的设计流程全定制版图设计是针对每个晶体管进行电路参数和版图优化，从而获得最佳性能和最小芯片面积。由于全定制设计是基于晶体管级的芯片设计，设计时话费的人工最多、周期最长，比较适合大批量生产的集成电路芯片设计。全定制设计可分为手工布图设计和版图自动生成两大类，手工布图设计是通过人机对话的办法在计算机上完成的，它是最老式的设计方法，但它可以设计出性能最好的超大规模集成电路，并且自动版图生成器所设计的版图经常要用手工设计的方法加以完善和调整。无论是数字集成电路，还是模拟电路，又或是数模混合电路，都可以用全定制方法设计。4.1.1 设计成本与设计时间、质量设计成本与设计时间和质量是相互制约的。如果设计一个高质量的版图，需要较高的设计成本和较长的设计时间；如果要求较低的设计成本和较短的设计时间，那么就要在设计质量上做出让步。4.1.2 设计成本与产量芯片生产中平均每个管子的成本C可用下式表示。当产量低时，第一项设计成本其主要作用；当产量很高时，单个芯片生产成本起决定性因素。4.1.3 设计成本与设计方法、设计模式图4-2给出了不同设计方法下设计成本与集成度的关系。当集成度比较小时，人工设计的质量高，且设计成本小；随着集成度的增加，人工设计的设计成本迅速增加而显出了自动设计的优越性，在集成度不是很大时，半自动设计低成本设计优越性明显。人工半自动全自动集成度设计成本图 4-2 设计方法与设计成本、设计规模的关系4.2 半定制设计方法半定制设计方法又可分为基于标准单元的设计方法和基于门阵列的设计方法。4.2.1 基于标准单元的设计方法基于标准单元的设计方法是将预先设计好的称为标准单元的逻辑单元，如门电路、触发器等，将它们按照某种特定的规则排列成阵列，做成半导体门阵列母片或基片，然后根据电路功能和要求用掩膜版将所需的逻辑单元连接成所需的专用集成电路。基于标准单元的设计方法设计周期短，设计效率高，开发成本低，适用于性能指标较高、生产批量较大的芯片，是应用最广泛的设计方法之一，图4-3给出了标准单元设计生产芯片的过程。单元单元设计单元布图特性模拟逻辑掩膜加工使用设计系统进行模拟、布局、布线、版图设计芯片生产测试、封装提供产品产生测试模型图4-3 标准单元设计生产过程4.2.2 门阵列设计法门阵列是将晶体管作为最小单元重复排列组成基本阵列，做成半导体门阵列母片或基片，然后根据电路功能和要求用掩膜版将所需的逻辑单元连接成所需的专用集成电路。门阵列的生产制造可以分为两个相对独立的过程，第一个过程是母片的制造，同时提供与之配套的单元库。第二个过程是根据用户所要实现的电路，完成母片上电路单元的布局及单元间连线，然后对这部分金属线及引线孔的图形进行制版、流片。门阵列设计方法由于事先制备母片，设计和制造周期短，主要适合于开发周期短，低开发成本的小批量数字电路设计，图4-4给出了使用门阵列设计生产芯片的过程。硅片加工过程预加工出无连线的门阵列母片制作芯片制作芯片测试与封装提供产品逻辑使用设计系行模拟布线互连线、接触掩膜层加工生产测试模型图4-4 门阵列设计生产过程4.2.3 现场可编程门阵列设计法随着器件规模、功能及可靠性的不断提高，现场可编程门阵列（FPGA）在现代数字系统中的应用日渐广泛且迅速发展起来。采用FPGA设计数字电路已经成为数字电路系统领域的主要设计方式之一，FPGA提供了用户可编程和自己制造的能力，极大地缩短了设计和制造时间。 一个FPGA芯片由若干个可编程的逻辑模块组成，这些逻辑模块可用一个可编程的布线网络进行互连。一个典型的FPGA逻辑模块比门电路复杂，但比标准单元模式中的单元简单。FPGA可以现场编程，为用户提供了参与系统和电路设计的可能性；FPGA一般用于产品的开发和试验阶段，设计周期短，一般用于抢占市场。4.3 不同设计方法的比较每种设计方法都有自己的特点，用户可以根据自己对产品的性能、批量大小及生产时间上的要求，选择相应的设计方法。通常大批量生产的产品，如微处理器、存储器等采用全定制设计方法；生产单件或小批量的产品或实验电路通常采用现场可编程门阵列设计方法；定性能要求较高而批量较小的产品、中批量产品则适合采用标准单元设计法。不同设计模式的芯片面积、性能及掩膜制作方式的比较如表4-1。表 4-1不同设计方式的芯片面积、性能及掩膜制作方式设计评价设计模式全定制标准单元门阵列现场可编程门阵列芯片面积小较小中等大芯片性能高较高中等低制作掩膜全部全部金属连线层不需要 图4-5给出了门阵列和可编程门阵列的设计区别。母片未编程半成品在IC工厂：系统/逻辑设计模拟验证布图编程文件掩膜编程测试、划片、封装用户产品母片未编程半成品在用户现场：编程器现场编程用户产品测试检验图4-5门阵列与FPGA的区别5 超大规模集成电路的设计步骤VLSI的设计一般分为正向设计和逆向设计两大类，正向设计通常用来完成新的设计，逆向设计通常用来解剖已有的设计并在此基础上进行合理的修改和改进。在这两大类设计中又可分为“自顶向下”和“自底向上”的两种方式，表5-1给出了不同方式下的具体设计步骤。表 5-1 “自顶向下”和”自底向上”的设计步骤方法自顶向下自底向上正向设计行为设计结构设计逻辑设计电路设计版图设计系统划分、分解单元设计功能块设计子系统设计系统设计逆向设计版图解析 电路图提取功能分析结构修改逻辑设计电路设计版图设计版图解析电路图提取功能分析单元设计功能块设计子系统设计系统设计VLSI可能会在一个步骤之中或几个步骤之间反复交替进行，其设计流程图如图5-1所示。系统描述功能设计电路设计逻辑设计物理设计测试封装芯片制造图 5-1 VLSI的设计步骤VLSI的设计过程从给出芯片的设计要求开始，到芯片的封装要经过若干步骤，下面简要概括的介绍一下VLSI的设计步骤。5.1 系统设计系统设计即系统的规范化说明，同其他设计一样，首先要给出待设计系统的规范化说明，包括系统功能、性能和物理尺寸，不涉及硬件的功能性描述，采用逻辑式、真值表、状态转换图、流程图等方式，对系统的功能、性能、物理尺寸、设计模式、设计工艺、设计周期、制造费用等进行总体的描述。最终结果是确定芯片尺寸、工作速度、功耗和系统功能。5.2 功能设计这一步考虑的是系统的行为特征，明确的定义作为硬件的寄存器，以从寄存器向寄存器的数据传送为基础进行描述，因此要采用寄存器传送级（RTL）描述，将系统功能的实现方案设计并用VHDL等硬件描述语言描述出来。常用的方法是时序图或各子模块关系图，利用这些信息以改进整个设计过程和简化整个设计的后续步骤。5.3 逻辑设计这一步得到一个表示系统能的逻辑结构并反复测试其正确性。利用逻辑门、触发器等逻辑单元明确描述逻辑单元与布线，因此也被称作门级描述。起初人们用手工进行这种逻辑设计，现在可以由功能设计（RTL描述）的文件自动生成门级描述，这被称为逻辑合成。逻辑设计通常以文本、原理、逻辑图表示设计结果，有时也采用布尔表达式表示。在设计过程中我们还对它进行模拟以验证其正确性，并对其进行优化设计。5.4 电路设计电路设计要考虑逻辑部件的电路实现，将逻辑表达式转化成电路实现，即对晶体管、电容器等实际电路元件以及它们的连接进行的描述。通常用详细的电路图来表示电路设计。5.5 版图设计版图设计也称做物理设计，它是VLSI设计中最费时的一步。版图设计就是将电路设计中所描述的物理器件以及它们之间的链接转化为用于制作物理器件和布线配置的图形信息，它要将电路设计中的每一个元器件包括晶体管、电阻、电容等以及它们之间的连线转化成集成电路制造所需的版图信息。版图设计要符合与制造工艺有关的设计规则要求，由于版图设计十分复杂，往往把版图设计分成若干子步骤进行。5.6 设计验证在版图设计完成并得到以几何图形形式表示的版图以后，非常重要的一步工作就是版图验证，以确保版图满足制造工艺要求和复合系统的设计规范，通过分析版图的图形数据，在设计规则允许的范围内验证设计是否正确，主要包括设计规则检查、版图的电路提取、电学规检查和寄生参数提取。5.7 制造通过验证的版图可以送去制造掩膜版并制造芯片，制作过程包括硅片准备、注入、扩散和光刻等工艺。5.8 封装和测试完成芯片制造后，要进行封装和测试，安置在印制电路板上的芯片可以封装成双立直插式或引脚阵列式，用于多芯片模块上的芯片不能进行封装。任何集成电路不论在设计过程中经过怎样的仿真和检查，在制造完成后都必须通过测试最后验证设计和制作的正确性。通过测试可以直观的检查设计的具体电路是否能像设计者要求的那样工作，可以确定电路失效的原因和发生的具体部位，以便改进设计和进行修改。6 超大规模集成电路的设计流程6.1 总体的设计流程从总体上讲，超大规模集成电路的设计共经历三个子过程，如图6-1所示。高层次描述高层次综合物理综合逻辑综合逻辑描述门级描述掩膜图 6-1 总体的设计流程6.1.1 高层次综合将系统的行为、各个组合部分的功能及其输入和输出用硬件描述语言加以描述，然后进行行为级综合，同时通过高层次的硬件模拟进行验证。高层次综合也称为行为级综合，它的任务是将一个设计的行为级描述转化成寄存器传输级的结构描述。由于实现设计的功能可能有多种硬件结构，因而高层次综合的目的是在满足目标合约是条件下，找到一个代价最小的硬件结构，并使设计的功能最佳。6.1.2 逻辑综合确定设计描述正确后，可以使用逻辑综合工具进行综合，将逻辑级行为描述转换成使用门级单元的结构描述，同时还要进行门级逻辑模拟和测试综合。逻辑综合过程还包括一系列的优化步骤，如优化链接、时钟分配等，优化的目标是面积最小、速度最快或者是它们之间的折衷。一般，逻辑综合分为两个阶段，一个是与工艺无关的阶段，这时采用布尔操作或代数操作技术来优化逻辑；另一个是工艺映像阶段，这时根据电路的性质及采用的结构作出具体的映像。6.1.3 物理综合物理综合也成版图综合，它的任务是将网表转换成版图即完成布图设计，即完成布图，这时对每个单元确定其几何形状、大小及位置，确定单元间的连接关系。布图规划是对设计进行物理划分，同时对设计的布局进行规划和分析，布局规划可以估算出较为准确的互连延迟信息，预算芯片的面积以及分析得到何处为拥挤的布线区域。6.2 详细的设计流程详细的设计流程如图6-2所示。源文件行为级仿真行为级综合RTL仿真RTL性能分析逻辑综合及可测试性设计门级仿真时序、功耗等分析布图模型图 6-2 VLSI的详细设计流程7 超大规模集成电路的验证方法7.1 动态验证动态验证就是输入外部激励输入信号到所设计的电路模型，判断它所产生的输出响应是否符合预期功能，主要用于验证电路功能，难以找到完全的激励来覆盖电路的所有功能，而且较耗费时间。动态验证有两个类型：电路仿真，逻辑仿真。7.2 静态验证静态验证就是分析电路所有路径的时序，或者将待验证的电路与正确的电路进行对照比较。主要用于验证电路性能指标，限于数字逻辑电路，无需输入激励信号，速度快，准确性较低。静态验证包括静态时序分析（STA）和形式验证。7.3 物理验证物理验证就是检查版图是否符合预定的设计规则，或者是否与电路相符。物理验证只能在物理设计完成后进行，物理验证包括三个类型：DRC，ERC，LVS。8 总结随着超大规模集成电路的不断发展，超大规模集成电路技术正越来越得到广泛的应用，因此超大规模集成电路技术也朝着更加人性化，更加可执行化方面发展，相信在不久的将来，超大规模集成电路技术将会得到空前的发展，更多新颖的超大规模集成电路技术将被运用到实际的工业生产之中；计算机技术的快速发展也必将促进超大规模集成电路设计技术快速发展，图形化界面以及图形操作将给人们带来更加简易的实施步骤，让人们体验到更加友好的设计过程。通过本次毕业设计，使我对超大规模集成电路的设计策略、设计方法以及设计步骤有所掌握，在进行芯片设计的过程中,首先要明确超大规模集成电路的设计要求,即设计周期要求、设计成本要求、设计正确性和性能要求、设计过程集成化要求和超大规模集成电路可测试性要求。其中设计的正确性是设计中最基本的要求。超大规模集成电路系统的设计覆盖了电路与系统、微电子学、计算机等多个专业,是一个十分复杂的过程，这次毕业设计使我收益非浅，不但让我