芯片设计实现介绍讲解

1、芯片设计实现介绍 北京中电华大电子设计有限责任公司 微电子技术 l 20世纪最伟大的技术 l 信息产业最重要的技术 l 进步最快的技术 基尔比(Jack Kilby)的第一个安置在半导体锗片上的 电路取得了成功“相移振荡器”，世界上第一块 集成电路在TI诞生，基尔比据此获得诺比尔物理 奖。 芯片是现代社会生活消费类产品的基石 集成电路和集成电路设计概念 l 集成电路：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 到腔体中进行封装，电路与外部的连接靠引脚完成。 l 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，设计出满足要求的集成电路。 l 集成电路设计输出：最终输出是掩膜版图GDS数据，通过 制版和工艺流片可以得到所需的集成电路。设计与加工之 间的接口是版图数据。 微电子技术飞速发展与摩尔定律 l 自从芯片诞生以来，芯片的发展基本上遵循了英特尔公司 创始人之一的Gordon E. Moore 1965年预言的摩

2、尔定 律。该定律说： 当价格不变时，集成电路上可容纳的晶 体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一 倍。换言之，每一元所能买到的电脑性能，将每隔18个月 翻两倍以上。 l 芯片设计是集成电路产业链中的关键环节，是连接市场需 求和芯片加工的重要桥梁，是表现芯片创意、知识产权与 专利的重要载体。设计的本质是创新，芯片加工工艺存在 着物理限制的可能，而芯片设计则可以在不同层次的加工 舞台上发挥无尽的创造活力，从这个意义上说，忽略设计 ，就忽略了明天，掌握了设计，就掌握了未来 集成电路设计过程和方法 集成电路的 设计过程: 设计创意 + 仿真验证 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 Sign off 电子设计自动化电子设计自动化 CAD辅助设计支持规模越来越大、复杂度越来越高的芯片开发 l 第一代IC设计CAD工具出现于20世纪60年代末70年代初， 但只能用于芯片的版图设计及版图设计规则的检查。 l 第二代CAD系统随着工作站的推出，出现于80年代。其不 仅具有图形处理能力，而且还具有原理图输入和模拟能

3、力 。 l 如今CAD工具已进入了第三代，称之为EDA系统。其主要标 志是工具支持全流程系统级到版图设计。 芯片分层分级设计 l 系统级 l 算法级 l 寄存器传输级（RTL） l 门级 l 电路（开关）级 l 物理级 系统级行为、性 能描述 CPU、 存储器、 控制器 子系统、 电路板 算法级I/O算法硬件模 块、数据 结构 部件间物 理连接 RTL级状态表ALU、寄 存器、 MUX 宏单元 门级布尔方程门、触发 器 单元版图 电路级微分方程晶体管、 电阻、电 容 晶体管版 图 物理级全芯片版图 芯片设计规模和加工工艺节点 l 设计规模：一般以等效逻辑门来计算，一个二输入与非门 算1个门，一个触发器等效6个门，现在SoC都在100万门- 1000万门级别。 l 工艺节点：一般以MOS晶体管沟通长度的特征值来表征 工艺节点，如0.18um、0.13um、90nm、65nm、 40nm、28nm，为了降低成本，缩小芯片面积，还会有 0.162um、0.11um、55nm等半工艺节点，它是通过光 学的处理方法把版图数据X、Y方向各缩小10%，达到面 积缩小20%。 SMIC 0.18um工

4、艺MOS器件沟道长度 l MOS器件沟道 长度为0.18um ，是标准的 0.18um工艺， 版图设计为 0.18um，最后 在硅片器件也是 0.18um。 HG EF130 0.13um工艺MOS器件沟道长度 l MOS器件沟道长 度为0.15um， 是非标准的 0.13um工艺， 版图设计为 0.15um，最后 在硅片器件也是 0.15um。后端 工艺采用90nm 工艺，最后等效 看相当于 0.13um的水平 TSMC 65nm 工艺MOS器件沟道长度 l MOS器件沟道 长度为0.65， 是标准的 0.65nm工艺， 版图设计为 60nm，经过光 学处理最后在 硅片器件是 65nm。 SMIC 55nm 工艺MOS器件沟道长度 l MOS器件沟道 长度为55nm， 是半工艺节点 ，版图设计为 60nm，经过光 学处理最后在 硅片器件是 55nm。 芯片设计前端流程图 市场需求产品需求需求分解 产品规格系统设计模块设计 编码实现仿真验证 设计实现 流 程 SoC芯片结构 IO IO IO IO IO IO IO IO IO IO CPU Logic Module A Logic M

5、odule B Logic Module C Analog Module A Analog Module B Analog Module C SOC Memory Module A Memory Module B 基于Verilog硬件描述语言的前端设计 硬件描述 语言优点 用软件描述语言的方式表达硬件，容易理解 高效成熟的设计流程支持，缩短芯片开发时间 世界通用的标准设计语 言，设计重用性好 功能验证速度快 Verilog编码示例 设计文档 Verilog编 码 复杂模块的编码示例 芯片仿真验证 l 波形图能够直观看到芯片的功能，供设计者确认和debug 使用 模拟电路设计 模拟电路仿真 标准单元版图设计 l标准单元是 已设计好的 具有一定逻 辑功能的单 元电路,这些 单元电路已 经完成了紧 凑的布局布 线,经过严格 测试,能保证 逻辑功能和 严格时序 芯片设计实现流程图 基于标准单元的芯片版图设计 l 概念：从标准单元库中调用事先经过精心设计的逻辑单元 ，并排列成行，行间留有可调整的布线通道，再按功能要 求将各内部单元以及输入/输出单元连接起来，形成所需 的专用电路 l 芯片布局：

6、芯片中心是单元区，输入/输出单元和压焊块 在芯片四周，基本单元具有等高不等宽的结构，布线通道 区没有宽度的限制，利于实现优化布线。 l 标准单元库：标准单元库中的单元是用人工优化设计的， 力求达到最小的面积和最好的性能，完成设计规则检查和 电学验证 l 不同设计阶段调用不同描述 芯片版图布局 l 布局 将模块安置在芯片 的适当位置，满足 一定目标函数。对 级别最低的功能块 ，是指根据连接关 系，确定各单元的 位置，级别高一些 的，是分配较低级 别功能块的位置， 使芯片面积尽量 小。 芯片版图布线 l 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。 802.11n WiFi无线通信芯片完整版图 lTSMC 65nm 1P7M 数模混合工艺 芯片版图验证与检查 l DRC：几何设计规则检查 l ERC：电学规则检查 l LVS：网表一致性检查 l POSTSIM：后仿真（提取实际版图参数、电阻、电容， 生成带寄生量的器件级网表，进行开关级逻辑模拟或电路 模拟，以验证设计出的电路功能的正确性和时序性能等)

7、 ，产生测试向量 集成电路制造工艺 l 双极型集成电路制造工艺（TTL、ECL） l CMOS集成电路制造工艺（主流工艺） l BiCMOS集成电路制造工艺（混合工艺） 芯片版图层次 l 我们把设计过程抽象成若干概念性版图层次，这些层次代 表线路转换成硅芯片时所必需的掩模图形，在硅片上形成 晶体管和互联，实现功能。它们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，由这些层经过逻辑运算得到加工Mask数据。 l 一个55nm工艺的智能卡芯片有超过40层的mask 芯片中晶体管纵向结构图 芯片材料-单晶硅锭和晶圆 采用旋转拉伸的方式单晶硅锭， 单晶硅锭：整体基本呈圆柱形， 重约100千克，硅纯度99.9999 。 然后经过切片、圆边、研磨、抛 光得到晶圆（Wafer ）。 芯片制造（晶圆加工） 芯片中金属互连线 l 金属层：在不同晶体管之间形成复合互连金属层。芯片表 面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路 ，放大之后可以看到极其复杂的电路网络。 芯片中的晶体管连线（扫描电镜照片） 90纳米工艺晶体管扫描电镜图 l 成人头发直径75-150um，即晶体管有效沟道长度小于头 发直径的1/1000. 完成加工后的12英寸圆片

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