集成電路設(shè)計圖書名稱01簡介硬件實現(xiàn)可測試性設(shè)計與設(shè)計的重用抽象級別設(shè)計流程目錄03050204基本信息集成電路設(shè)計（Integratedcircuitdesign,ICdesign），亦可稱之為超大規(guī)模集成電路設(shè)計（VLSIdesign），是指以集成電路、超大規(guī)模集成電路為目標(biāo)的設(shè)計流程。集成電路設(shè)計涉及對電子器件（例如晶體管、電阻器、電容器等）、器件間互連線模型的建立。所有的器件和互連線都需安置在一塊半導(dǎo)體襯底材料之上，這些組件通過半導(dǎo)體器件制造工藝（例如光刻等）安置在單一的硅襯底上，從而形成電路。簡介簡介集成電路設(shè)計最常使用的襯底材料是硅。設(shè)計人員會使用技術(shù)手段將硅襯底上各個器件之間相互電隔離，以控制整個芯片上各個器件之間的導(dǎo)電性能。PN結(jié)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管等組成了集成電路器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，而由后者構(gòu)成的互補式金屬氧化物半導(dǎo)體則憑借其低靜態(tài)功耗、高集成度的優(yōu)點成為數(shù)字集成電路中邏輯門的基礎(chǔ)構(gòu)造

。設(shè)計人員需要考慮晶體管、互連線的能量耗散，這一點與以往由分立電子器件開始構(gòu)建電路不同，這是因為集成電路的所有器件都集成在一塊硅片上。金屬互連線的電遷移以及靜電放電對于微芯片上的器件通常有害，因此也是集成電路設(shè)計需要的課題。隨著集成電路的規(guī)模不斷增大，其集成度已經(jīng)達到深亞微米級（特征尺寸在130納米以下），單個芯片集成的晶體管已經(jīng)接近十億個。由于其極為復(fù)雜，集成電路設(shè)計相較簡單電路設(shè)計常常需要計算機輔助的設(shè)計方法學(xué)和技術(shù)手段。集成電路設(shè)計的研究范圍涵蓋了數(shù)字集成電路中數(shù)字邏輯的優(yōu)化、表實現(xiàn)，寄存器傳輸級硬件描述語言代碼的書寫，邏輯功能的驗證、仿真和時序分析，電路在硬件中連線的分布，模擬集成電路中運算放大器、電子濾波器等器件在芯片中的安置和混合信號的處理。相關(guān)的研究還包括硬件設(shè)計的電子設(shè)計自動化（EDA）、計算機輔助設(shè)計（CAD）方法學(xué)等，是電機工程學(xué)和計算機工程的一個子集。對于數(shù)字集成電路來說，設(shè)計人員更多的是站在高級抽象層面，即寄存器傳輸級甚至更高的系統(tǒng)級（有人也稱之為行為級），使用硬件描述語言或高級建模語言來描述電路的邏輯、時序功能，而邏輯綜合可以自動將寄存器傳輸級的硬件描述語言轉(zhuǎn)換為邏輯門級的表。抽象級別抽象級別集成電路設(shè)計通常是以“模塊”作為設(shè)計的單位的。例如，對于多位全加器來說，其次級模塊是一位的加法器，而加法器又是由下一級的與門、非門模塊構(gòu)成，與、非門最終可以分解為更低抽象級的CMOS器件。從抽象級別來說，數(shù)字集成電路設(shè)計可以是自頂向下的，即先定義了系統(tǒng)最高邏輯層次的功能模塊，根據(jù)頂層模塊的需求來定義子模塊，然后逐層繼續(xù)分解；設(shè)計也可以是自底向上的，即先分別設(shè)計最具體的各個模塊，然后如同搭積木一般用這些最底層模塊來實現(xiàn)上層模塊，最終達到最高層次。在許多設(shè)計中，自頂向下、自底向上的設(shè)計方法學(xué)是混合使用的，系統(tǒng)級設(shè)計人員對整體體系結(jié)構(gòu)進行規(guī)劃，并進行子模塊的劃分，而底層的電路設(shè)計人員逐層向上設(shè)計、優(yōu)化單獨的模塊。最后，兩個方向的設(shè)計人員在中間某一抽象層次會合，完成整個設(shè)計。硬件實現(xiàn)硬件實現(xiàn)對于不同的設(shè)計要求，工程師可以選擇使用半定制設(shè)計途徑，例如采用可編程邏輯器件（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列等）或基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫的專用集成電路來實現(xiàn)硬件電路；也可以使用全定制設(shè)計，控制晶體管版圖到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全部細節(jié)。全定制設(shè)計這種設(shè)計方式要求設(shè)計人員利用版圖編輯器來完成版圖設(shè)計、參數(shù)提取、單元表征，然后利用這些自己設(shè)計的單元來完成電路的構(gòu)建。通常，全定制設(shè)計是為了最大化優(yōu)化電路性能。如果標(biāo)準(zhǔn)單元庫中缺少某種所需的單元，也需要采取全定制設(shè)計的方法完成所需的單元設(shè)計。不過，這種設(shè)計方式通常需要較長的時間。半定制設(shè)計與全定制設(shè)計相對的設(shè)計方式為半定制設(shè)計。簡而言之，半定制集成電路設(shè)計是基于預(yù)先設(shè)計好的某些邏輯單元。例如，設(shè)計人員可以在標(biāo)準(zhǔn)組件庫（通?？梢詮牡谌劫徺I）的基礎(chǔ)上設(shè)計專用集成電路，從中選取所需的邏輯單元（例如各種基本邏輯門、觸發(fā)器等）來搭建所需的電路。他們也可以使用可編程邏輯器件來完成設(shè)計，這類器件的幾乎所有物理結(jié)構(gòu)都已經(jīng)固定在芯片之中，僅剩下某些連線可以由用戶編程決定其連接方式。與這些預(yù)先設(shè)計好的邏輯單元有關(guān)的性能參數(shù)通常也由其供應(yīng)商提供，以方便設(shè)計人員進行時序、功耗分析。在半定制的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）上實現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)點是開發(fā)周期短、成本低。設(shè)計流程設(shè)計流程集成電路設(shè)計可以大致分為數(shù)字集成電路設(shè)計和模擬集成電路設(shè)計兩大類。不過，實際的集成電路還有可能是混合信號集成電路，因此不少電路的設(shè)計同時用到這兩種流程。模擬集成電路集成電路設(shè)計的另一個大分支是模擬集成電路設(shè)計，這一分支通常電源集成電路、射頻集成電路等。由于現(xiàn)實世界的信號是模擬的，所以，在電子產(chǎn)品中，模-數(shù)、數(shù)-模相互轉(zhuǎn)換的集成電路也有著廣泛的應(yīng)用。模擬集成電路包括運算放大器、線性整流器、鎖相環(huán)、振蕩電路、有源濾波器等。相較數(shù)字集成電路設(shè)計，模擬集成電路設(shè)計與半導(dǎo)體器件的物理性質(zhì)有著更大的關(guān)聯(lián)，例如其增益、電路匹配、功率耗散以及阻抗等等。模擬信號的放大和濾波要求電路對信號具備一定的保真度，因此模擬集成電路比數(shù)字集成電路使用了更多的大面積器件，集成度亦相對較低。在微處理器和計算機輔助設(shè)計方法出現(xiàn)前，模擬集成電路完全采用人工設(shè)計的方法。由于人處理復(fù)雜問題的能力有限，因此當(dāng)時的模擬集成電路通常是較為基本的電路，運算放大器集成電路就是一個典型的例子。在當(dāng)時的情況下，這樣的集成電路可能會涉及十幾個晶體管以及它們之間的互連線。為了使模擬集成電路的設(shè)計能達到工業(yè)生產(chǎn)的級別，工程師需要采取多次迭代的方法以測試、排除故障。重復(fù)利用已經(jīng)設(shè)計、驗證的設(shè)計，可以進一步構(gòu)成更加復(fù)雜的集成電路。可測試性設(shè)計與設(shè)計的重用可測試性設(shè)計與設(shè)計的重用隨著超大規(guī)模集成電路的復(fù)雜程度不斷提高，電路制造后的測試所需的時間和經(jīng)濟成本也不斷增加。以往，人們將絕大多數(shù)精力放在設(shè)計本身，而并不考慮之后的測試，因為那時的測試相對更為簡單。近年來，測試本身也逐漸成為一個龐大的課題。比如，從電路外部控制某些內(nèi)部信號使得它們呈現(xiàn)特定的邏輯值比較容易，而某些內(nèi)部信號由于依賴大量其它內(nèi)部信號，從外部很難直接改變它們的數(shù)值。此外，內(nèi)部信號的改變很多時候不能在主輸出端觀測（有時主輸出端的信號輸出看似正確，其實內(nèi)部狀態(tài)是錯誤的，僅觀測主輸出端的輸出不足以判斷電路是否正常工作）。以上兩類問題，即可控制性和可觀測性，是可測試性的兩大組成部分。人們逐漸發(fā)現(xiàn)，電路在設(shè)計時向電路添加一些特殊的結(jié)構(gòu)（例如掃描鏈和內(nèi)建自測試），能夠大大方便之后的電路測試。這樣的設(shè)計被即為可測試性設(shè)計，它們使電路更加復(fù)雜，但是卻能憑借更簡捷的測試降低整個項目的成本。隨著超大規(guī)模集成電路的集成度不斷提高，同時市場競爭壓