VLSI设计导论.ppt

1、ASIC设计概述,Liuzhe,报告内容介绍,报告分为三部分：第一部分：ASIC发展和国内外情况介绍；第二部分：ASIC设计介绍；第三部分：ASIC设计的热点和趋势；,第一部分ASIC发展和国内外情况介绍,1、集成电路工艺的发展的特点和规律；2、IC发展方向与我国IC的发展情况；,九十年代以来，集成电路工艺发展非常迅速，已从亚微米(0.5到1微米)进入到深亚微米(小于0.5微米)，进而进入到超深亚微米(小于0.25微米)。其主要特点：特征尺寸越来越小芯片尺寸越来越大 单片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快 电源电压越来越低 布线层数越来越多 I/O引线越来越多,一、集成电路工艺的发展特点和

2、规律,年份 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012最小线宽 0.25 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.01 (m）DRAM容量 256M 1G 1G4G 4G 16G 64G 256G每片晶体管数 11 21 40 76 200 520 1400 （M） 芯片尺寸 300 440 385 430 520 620 750(平方毫米） 频率 (兆赫） 750 1200 1400 1600 2000 2500 3000金属化层层数 6 6-7 7 7 7-8 8-9 9最低供电电压 1.8-2.5 1.5-1.8 1.2-1.5 1.2-1.5 0

3、.9-1.2 0.6-0.9 0.5-0.6 （v） 最大晶圆直径 200 300 300 300 300 450 450 （mm）,1、发展规划代次的指标,2、Moores Law and Future IC echnologies,Moore Law - Min. transistor feature size decreases by 0.7X every three years - True for at least 30 years! (first published in 1965)1997 National Technology Roadmap for Semiconductor

4、s,3、工艺特征尺寸,4、单个芯片上的晶体管数,5、芯片面积,6、电源电压,7、金属布线层数,8、时钟频率,1、集成电路发展的方向1）在发展微细加工技术的基础上，开发超高速、超高集成度的电路。2）迅速、全面地利用已达到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装技术、和测试技术等发展各种专用集成电路（ASIC）。,二、 IC发展方向与我国IC的发展情况,从另一个角度来说，进入90年代以来，电子信息类产品的开发明显地出现了两个特点： 1、开发产品的复杂程度加深，出现SOC； 2、开发产品的上市时限紧迫。,2、我国集成电路的发展现状2002年中国信息技术趋势大会上专家指出的IC技术是IT领域热点技术之一；

5、IC是整个电子信息产业乃至国民经济的基础。 目前我国的半导体集成电路生产分为三大类：IC设计公司（Fabless，无生产线 ）国内半导体芯片厂家的主流产品是5至6英寸硅片，大约占总量的三分之二强。随着上海华虹NEC公司8英寸生产线的投产，6至8英寸硅片的需求量将上升。芯片加工厂（Foundry）我国集成电路芯片制造业现己相对集中,主要分布在上海、北京、江苏、浙江等省市。 后工序（测试、封装、设备）其中IC设计以人为主，脑力密集型，属高回报产业。,3、我国集成电路生产能力方面： 93年生产的集成电路为1.78亿块，占世界总产量的0.4%，相当于美国1969年的水平，日本1971年的水平。 96年

6、为7.09亿块，而1996年国内集成电路市场总用量为67.8亿块,国内市场占有率仅为10。 99年为23亿块,销售额70多亿元，国内市场占有率不足20，绝大部分依靠进口。 2000年需求量为180亿块，预计可生产32亿块。 总之，我国集成电路产业的总体发展水平还很低，与国外相比大约落后15年。但是，目前已具备0.25微米芯片设计开发和0.18微米芯片规模生产能力，以“方舟”、“龙芯”为代表的高性能CPU芯片开发成功，标志着我国已掌握产业发展的部分重大核心技术。,第二部分 ASIC设计介绍,1、IC的分类；2、设计流程和方法；3、集成电路设计与EDA软件工具；,一、IC的分类：,按电路规模分：S

7、SI、MSI、LSI、VLSI 按电路用途分：通用IC和专用IC（ASIC，Applications Specific Integrated Circuit) 按电路性能分：数字ASIC和模拟ASIC 按制造方法分：全定制ASIC（Full-custom ASIC ）、半定制ASIC（Semi-custom ASIC ）、可编程ASIC（Programmable ASIC）,二、设计流程和方法一）设计流程简要概括如下：1、系统规范化说明（System Specification）包括系统功能、性能、物理尺寸、设计模式、制造工艺、设计周期、设计费用等等。2、功能设计（Function Desig

8、n） 将系统功能的实现方案设计出来。通常是给出系统的时序图及各子模块之间的数据流图。3、逻辑设计（Logic Design）这一步是将系统功能结构化。通常以文本（Verilog HDL 或VHDL）、原理图、逻辑图表示设计结果，有时也采用布尔表达式来表示设计结果。,4、电路设计（Circuit Design）电路设计是将逻辑设计表达式转换成电路实现。 5、物理设计（Physical Design or Layout Design）物理设计或称版图设计是VLSI设计中最费时的一步。它要将电路设计中的每一个元器件包括晶体管、电阻、电容、电感等以及它们之间的连线转换成集成电路制造所需要的版图信息。6

9、、设计验证（Design Verification）在版图设计完成以后，非常重要的一步工作是版图验证。主要包括：设计规则检查（DRC）、版图的电路提取（NE）、电学规检查（ERC）和寄生参数提取（PE）。整个流程如下图所示：,二）设计方法1、VLSI设计的一般形式层次式设计是VLSI设计中最广泛使用的方法，它可以简化VLSI设计的复杂性。层次式设计方法分为自顶向下和自底向上两种方法。 层次化设计分为三个域：行为域：系统的功能结构域: 系统的逻辑组成物理域：集体实现的几何特性和物理特性2、IC层次式设计方法(自顶向下的设计方法例子) 系统级、功能级、寄存器传输级、门级、电路级、版图级（物理级）。

10、,3、 VLSI设计描述,4、计算机描述语言：由上表可见，对于不同的设计层次，都需要用计算机来进行辅助设计。因此，需要有一套计算机能处理的语言来描述设计结果和设计要求。Verilog HDL 和 VHDL硬件描述语言；SPICE是一种用于电路分析的软件工具，它本身规定了一套电路描述方法；DEF/LEF及YAL都是专门用于布图设计的电路描述语言；CIF是一种几何描述语言，它用来描述物理版图，该语言是工业界的标准格式，它与另外的两种版图描述语言GDS2、EDIF之间可以相互转换。,三、集成电路设计与EDA软件工具 集成电路产业是以市场、设计、制造、应用为主要环节的系统工程。设计是连接市场和制造之间

11、的桥梁，是集成电路产品开发的入口。成功的产品来源于成功的设计，成功的设计取决于优秀的设计工具。 信息产业市场中的EDA,一） IC CAD 软件工具发展过程第一代：在集成电路产业发展初期集成电路设计附属于半导体工业加工。这样的系统为IC设计师提供方便的版图编辑、设计验证和数据转换等功能。第二代：70年代末，80年代初为设计师提供了方便的原理图编辑、仿真和物理版图的布图、验证功能。代表：以Applicon, Calma, CV为代表的版图编辑+DRC；八十年代以Mentor, Daisy, Valid为代表的CAD系统，从原理图输入、模拟、分析、到自动布图及验证第三代：90年代初包括有系统级的设

12、计工具。以Cadence, Synopsys，Avanti等为代表的ESDA系统，包括有系统级的设计工具,第四代：目前正在紧锣密鼓地进行。由于集成电路的工艺水平已经进入深亚微米（0.6微米），在0.8微米工艺以下，连线延迟已占总延迟的70，因而计算工作量要比微米及亚微米增大。设计工具改进所增加的设计能力必须超过工艺增长速度，才能适应工艺的快速发展。正在研制面向VDSM + System-On-a-Chip的新一代CAD系统,二）总结1、设计和工艺的差距越来越大，如下图所示,2、开发工具有利于缩短设计周期、提高设计正确性、降低设计成本、保证产品性能 3、目前著名的EDA公司：Cadence（后端

13、），Mentor、Protel和OrCAD （PCB）、Synopsys(综合)，etc 4、EDA工具趋势功能集成和支持高层次描述：综合、放置、布线等功能将集成为一体；同时，高层抽象描述语言越来越重要，“更高的抽象级语言”是较HDL语言更高层次的设计描述。而在高级语言的发展中，C/C+以及VHDL+成为EDA业界关心的新话题。,第三部分ASIC设的热点和趋势,1、SOC 设计；2、数字逻辑相模拟电路和数模混合电路；,一、SOC（System on Chip,片上系统）技术1、SOC技术的开发与应用,SOC的工作开始于20世纪90年代,虽然对SOC至今尚无非常明确的定义，但一般认为，采用深亚微

14、米（DSM）工艺技术，IP核的复用和软硬件协同设计是SOC的三大技术特征。,2、SOC的产生和发展有三个方面的原因,首先是微电子加工技术的发展，已经使得在单个芯片上制作电子系统所需要的几乎所有元件有了可能。其次，几十年来集成电路的设计能力的增长滞后于工艺技术的发展，在深亚微米（DSM）阶段变的更加突出，因而SOC设计技术应运而生。第三，电子系统发展的需要，利用SOC可以大大减少所使用的元件数量，提高产品性能，降低能耗，缩小体积，降低成本，或者说在相同的工艺技术条件下，可以实现更高的性能指标。,按照1999年国际半导体技术发展指南(ITRS1999），目前组成SOC的模块单元可以包括微处理器核，

15、嵌入式SRAM、DRAM和FLASH单元以及某些特定的逻辑单元。 ITRS99认为，开发SOC的根本目标是提高性能和降低成本,另外，Soc开发的另一个重要的考虑是他的可编程特性（通过软件、fpga,flash或其他手段来实现）。,3、关于IP核的开发应用,IP（Intellectual Property)核是SOC的建造基础今天所称的IP是指那些较高集成度并具有完整功能的单元模块，如MPU、DSP、DRAM、FLASH等模块. IP模块的再利用，除了可以缩短SOC芯片的设计时间外，还能大大降低设计和制造的成本，提高可靠性。,IP核从技术层面上可分为软核、固核、硬核三种 从满足SOC的设计要求来

16、说，它必须有四个特征：1.必须是符合设计再利用的要求按嵌入式专门设计的。 2.必须是经多次优化设计，达到通常的“四最”（芯片面积最小，运算速度最快，功耗最小，工艺容差最大）的目标。 3.必须是允许多家公司在支付一定费用后商业运用的，而不是本公司内部专用的。 4.必须符合IP标准。1996年9月，世界35个著名公司组成一个国际性企业联合组织棗虚拟插座接口联盟VSIA。,二、模拟IC与混合信号IC,数字、模拟电路混合的混合信号（Mixed Signal）IC设计成为ASIC/SoC设计中最常出现的需求，尤其是通信领域混合信号IC设计方法也由原来的功能设计向功能组装的方向发展。,1、模拟集成电路的生

17、存空间,首先，数字技术是一种人工编码技术，而自然界的监测对象和控制对象，如声、光、温度全是连续变化的“模拟量”。数字技术不可能直接监测和直接控制。实现这一接口功能的正是模拟电路。其次，数字信号只能有线传输（利用双绞线，同轴线，光缆等等）。采用射频载波的调制和解调，才能完成无线发射和接收。这又是非模拟电路不可的用场。再次，任何数字系统都必须有电源的控制和管理。在移动式数字系统中，电源控制和电源管理的问题更加突出。,2、模拟IC发展的两大趋势,嵌入式模拟IC和高性能模拟IC是当前模拟IC发展的两大趋势 采用标准CMOS工艺设计制造A/D、D/A转换器，RF电路等典型模拟电路和混合信号电路已经成为业内热点。 采用CMOS工艺设计模拟IC的工作难度，高于设计数字IC。,谢谢各位老师和同学！,