集成電路設(shè)計和實現(xiàn)
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。那么你對集成電路設(shè)計了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于什么是集成電路設(shè)計的內(nèi)容，希望大家喜歡!
集成電路設(shè)計的介紹
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，這些元件通過半導(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。目前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)計需要關(guān)注的課題。
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。由于其復(fù)雜性，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、網(wǎng)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)計人員現(xiàn)在更多的是站在高級抽象層面，即寄存器傳輸級甚至更高的行為級，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)換為邏輯門級的網(wǎng)表。對于簡單的電路，設(shè)計人員也可以用硬件描述語言直接描述邏輯門和觸發(fā)器之間的連接情況。網(wǎng)表經(jīng)過進一步的功能驗證、布局、布線，可以產(chǎn)生用于工業(yè)制造的版圖設(shè)計文件，根據(jù)該文件來可以在硬件上實現(xiàn)實際的集成電路電路。模擬集成電路設(shè)計涉及了更加復(fù)雜的信號環(huán)境，對工程師的經(jīng)驗有更高的要求，并且其設(shè)計的自動化程度遠(yuǎn)不及數(shù)字集成電路。
逐步完成功能設(shè)計之后，設(shè)計規(guī)則會指明哪些設(shè)計符合制造要求，而哪些設(shè)計不符合，而這個規(guī)則本身也十分復(fù)雜。集成電路設(shè)計流程需要符合數(shù)百條這樣的規(guī)則。在一定的設(shè)計約束下，集成電路物理版圖的布局、布線對于獲得理想速度、信號完整性、減少芯片面積來說至關(guān)重要。半導(dǎo)體器件制造的不可預(yù)測性使得集成電路設(shè)計的難度進一步提高。在集成電路設(shè)計領(lǐng)域，由于市場競爭的壓力，電子設(shè)計自動化等相關(guān)計算機輔助設(shè)計工具得到了廣泛的應(yīng)用，工程師可以在計算機軟件的輔助下進行設(shè)計、功能驗證、靜態(tài)時序分析、動態(tài)時序驗證等流程。
集成電路設(shè)計的硬件實現(xiàn)
對于不同的設(shè)計要求，工程師可以選擇在可編程邏輯器件(如現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)或?qū)Ｓ眉呻娐飞线M行硬件電路實現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計的出發(fā)點及約束，可以分為全定制設(shè)計和半定制設(shè)計(使用門陣列、標(biāo)準(zhǔn)元件或宏單元等)兩大類。
可編程邏輯器件
主條目：可編程邏輯器件
參見：復(fù)雜可編程邏輯器件、可編程陣列邏輯、可編程邏輯陣列、通用陣列邏輯及現(xiàn)場可編程邏輯門陣列
可編程邏輯器件通常由半導(dǎo)體廠家提供商品芯片，這些芯片可以通過JTAG等方式和計算機連接，因此設(shè)計人員可以用電子設(shè)計自動化工具來完成設(shè)計，然后將利用設(shè)計代碼來對邏輯芯片編程?？删幊踢壿嬯嚵行酒诔鰪S前就提前定義了邏輯門構(gòu)成的陣列，而邏輯門之間的連接線路則可以通過編程來控制連接與斷開。隨著技術(shù)的發(fā)展，對連接線的編程可以通過EPROM(利用較高壓電編程、紫外線照射擦除)、EEPROM(利用電信號來多次編程和擦除)、SRAM、閃存等方式實現(xiàn)?，F(xiàn)場可編程邏輯門陣列是一種特殊的可編程邏輯器件，它的物理基礎(chǔ)是可配置邏輯單元，由查找表、可編程多路選擇器、寄存器等結(jié)構(gòu)組成。查找表可以用來實現(xiàn)邏輯函數(shù)，如三個輸入端的查找表可以實現(xiàn)所有三變量的邏輯函數(shù)。
專用集成電路
主條目：專用集成電路
專用集成電路只能在整個集成電路設(shè)計完成之后才能開始制造，而且需要專業(yè)的半導(dǎo)體工廠的參與。不像可編程邏輯器件可以實現(xiàn)各種不同的電路，專用集成電路是根據(jù)已設(shè)計的電路版圖量身定做的，設(shè)計人員對于元件在芯片上的位置和連接能夠有更多的控制權(quán)，而不像可編程邏輯器件途徑，只能選擇使用其中部分硬件資源，從而無法避免資源浪費，因此專用集成電路的面積、功耗、時序特性可以得到更好的優(yōu)化。然而，專用集成電路的設(shè)計會更加復(fù)雜，并且需要專業(yè)的半導(dǎo)體工藝廠家才能將版圖文件制造成電路。一旦專用集成電路芯片制造完成，就不能像可編程邏輯器件那樣對電路的邏輯功能進行重新配置。對于單個產(chǎn)品，在專用集成電路上實現(xiàn)集成電路的經(jīng)濟、時間成本都比可編程邏輯器件高，因此在早期的設(shè)計與調(diào)試過程中，常用可編程邏輯器件，尤其是現(xiàn)場可編程邏輯門陣列;如果所設(shè)計的集成電路將要在后期大量投產(chǎn)，那么批量生產(chǎn)專用集成電路將會更經(jīng)濟。
集成電路設(shè)計的設(shè)計輔助和自動化
主條目：計算機輔助設(shè)計和電子設(shè)計自動化
由于集成電路系統(tǒng)的復(fù)雜性，工程師往往需要借助電子設(shè)計自動化工具來進行計算機輔助設(shè)計。邏輯綜合就是電子設(shè)計自動化在數(shù)字集成電路設(shè)計中最顯著的體現(xiàn)。以往在設(shè)計小規(guī)模、中規(guī)模集成電路時，工程師設(shè)計數(shù)字集成電路需要根據(jù)邏輯功能，通過類似卡諾圖這樣的手工途徑來優(yōu)化邏輯函數(shù)，然后確定使用何種邏輯門來實現(xiàn)電路。而在當(dāng)前超大規(guī)模集成電路，乃至更大的甚大規(guī)模集成電路的設(shè)計中，這樣的工作方式不太現(xiàn)實。電子設(shè)計自動化工具使得工程師能夠從復(fù)雜的門級設(shè)計轉(zhuǎn)到功能設(shè)計，而底層的轉(zhuǎn)換由自動工具完成，工程師只需要掌握如何設(shè)置這些工具工作策略的知識。硬件描述語言是集成電路設(shè)計自動化的重要基礎(chǔ)。電子設(shè)計自動化發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在已經(jīng)成立了諸如設(shè)計自動化會議的一些學(xué)術(shù)論壇，定期討論業(yè)界的發(fā)展。
完成整個集成電路設(shè)計常常涉及多個電子設(shè)計自動化工具的運用。有些公司專門從事集成電路計算機輔助設(shè)計工具套件的開發(fā)和銷售，例如Synopsys、Cadence、Mentor Graphics、Agilent、Altium、Xilinx等。電子設(shè)計自動化工具的本身作為一種軟件，背后依靠的是各種計算機算法。因此電子設(shè)計自動化工具的開發(fā)更加接近軟件設(shè)計的范疇，其開發(fā)人員需要重點關(guān)注邏輯簡化、布局布線等方面的算法實現(xiàn)，但是他們同樣需要了解集成電路的硬件知識。
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