1、概论 本章阐述在VHDL程序设计完成之后，怎样进行处理，才能完成集成电路设计的过程。计算机的应用促进了新学科的诞生。EDA 工程就是以计算机为工作平台，以EDA 软件工具为开发环境，以硬件描述语言为设计语言，以可编程器件为实验载体,以ASIC、SOC芯片为设计目标，以电子系统设计为应用方向电子产品自动化设计过程。现代电子设计方法是现代电子设计的基础，是电子线路原理设计，电子系统整机设计,集成电路芯片设计的方法学。现代电子设计方法的研究目标主要是怎样用VHDL语言设计超大规模专用集成电路（ASIC），怎样对一片超大规模集成电路进行功能划分，VHDL语言描述、逻辑综合、仿真分析、形式验证、设计实现
2、是现代电子设计方法要解决的主要问题。电子设计技术的进展 经典电子设计方法的特征经典电子设计方法的特征 采用自下而上的（Bottom UP）的设计方法。:采用通用元器件，每个元器件的功能都是确定的，利用这些元器件搭建目标功能模块。设计者必须对成千上万种通用元器件的性能特点熟练掌握，并且元器件容易购到，成本较低。在硬件模块电路构成之后才能进行硬件、软件调试。如果设计过程中的问题到后期才会被发现，这就可能造成推翻设计重新开始的危险，使设计周期大大加长，延误了电子产品的按时推出。设计文件以电路原理图为核心。EDA工具 行为设计 结构设计 Electronics Design Optimize 逻辑设计
3、 Electronics Design Automution 电路设计 Computer-Aided Engineering 版图设计 Computer-Aided Design 1970 1980 1990 2000 CAD EDA CAE EDO 电子设计技术由于计算机技术的发展而产生了巨大变化。由于电子科学是计算机科学的基础，计算机学科的发展离不开电子学科的支持，但是计算机科学又反作用于电子科学，加速了电子学科的发展。这样构成了一个闭环正反馈系统，使的电子设计技术很快由计算机辅助设计（ECAD）阶段进入了电子设计自动化(EDA)阶段。EDA工程概念 现代电子 设计工具的 使用和开发 硬件
4、描述语言和 IP 核的设计开发 电路与系统 的理论和 设计实现 板上系统和 片上系统设计方法研究 现代电子 设计的 理论基础 EDA工程领域 硬件描述语言EDA工具EDA理论基础实现载体设计方法学流 片 EDA 工程的实现载体-FPGA器件 一个电子系统可能由数万个中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题，解决这一问题的有效方法就是采用ASIC(Application Specific Integrated Circuits)芯片进行设计。其优点是：芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低。缺点是：开发周期长，费用高，只适合大批量的产品开发。分为：全定制AS
5、IC，半定制ASIC，可编程ASIC（也称为可编程专用集成电路）。FPGA器件 EDA 工程的设计语言-VHDL语言 VHDL是一种全方位的硬件描述语言，支持系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次，支持结构描述、数据流描述和行为描述及三种形式的混合描述。VHDL 语言覆盖了多种硬件语言的功能，“自顶向下”或“自底向上”的电子系统设计过程都可以用VHDL语言来完成。VHDL语言设计描述和系统建模 IP设计和SOC设计 将整个电子系统集成在同一芯片上，称为片上系统（SOC）。产品设计日益复杂，产品的生命周期不断缩短，因而要求设计出更新、更快、更廉价的产品。在设计印刷电路板时采用IP模块设计
6、方法，以及提供顺畅且可靠的设计流程至关重要。即：项目设计ASIC设计IP模块设计 PCB设计 仿真设计测试设计。在PCB设计之前先设计ASIC芯片，尽量减少板上元件数目，提高集成度，提高可靠性。设计描述和系统建模 软IP核与硬IP核 软IP是用硬件描述语言设计的具有一定电路功能的程序模块。硬IP是在软IP的基础上，结合半导体工艺、设计规则而生成的集成电路版图。软、硬IP的概念 功能定义 IP模块设计 硬件描述语言 EDA工具环境 功能仿真 软 IP 生成 特征线宽约束 硬 IP 生成 半导体工艺 版图、网表生成 时序仿真 设计规则 项目分解 设计复用方法 IP（intelligent prop
7、erty）模块设计不仅是集成电路设计公司的重要任务，也是EDA工具开发公司的实力表现，一套EDA工具，它提供的IP模块越丰富，用户的设计就越方便、越容易。关于应该使用哪种类型的IP至今仍有争议。究竟是使用需要VHDL代码进入综合和布局布线过程的软IP，还是使用芯片中物理掩膜布局已得到证明的硬IP，要根据设计项目的具体情况来确定。IP复用流程 硬IP的复用流程 软IP的复用流程 设计综合 高层次综合 高层次综合范畴 高层次综合流程 设计仿真 仿真（emulation），利用计算机硬件平台，EDA工程设计环境，搭建虚拟的设计系统，在计算机上进行波形分析，时序分析，功能验证的过程称为仿真。EDA工具
8、的不完备，设计项目的修改，描述文件的错误等原因，都使设计项目需要仿真、验证。仿真的层次:电路级仿真;逻辑仿真;开关级仿真;寄存器传输级仿真;高层次仿真。仿真系统构成 常用仿真方法 在在EDAEDA工程领域，仿真分为功能仿真和时序工程领域，仿真分为功能仿真和时序仿真。前者验证设计模块的逻辑功能，后者用仿真。前者验证设计模块的逻辑功能，后者用于验证设计模块的时序关系；无论是功能仿真于验证设计模块的时序关系；无论是功能仿真，还是时序仿真，其仿真方法有两种：，还是时序仿真，其仿真方法有两种：交互式仿真方法交互式仿真方法 测试平台法测试平台法 集成系统设计方法 在同一个芯片上集成了控制部件（微处理器、存
9、储器、I/O接口）和执行部件（微型开关，微机械），能够自成体系，独立工作的芯片称为系统芯片 片上系统的设计方法：1.系统设计；2.综合（逻辑综合/行为综合）；3.分层设计方法 可编程系统芯片设计 1.可编程系统芯片结构 复杂的FPGA结构从系统集成、系统存储、系统时钟和系统接口方面满足片上系统设计要求。2.可编程系统级芯片的设计方法 可编程逻辑器件(PLD)在规模、速度、嵌入式处理器内核及其它IP供应等方面的进步，可以实现系统级可编程芯片的设计。这需要一种结构清晰的系统级方法来处理系统级设计复杂性。片上系统的测试方法 传统ATPG技术 新的DFT技术-内置式自测(BIST)片上系统的测试方法
10、嵌入式SRAM典型BIST电路框图 片上系统设计关键（1）IP核重用（2）形式验证（3）测试校准（4）可再配置计算（5）布局规划（6）软硬件协同验证 集成电路设计的实验室实现方法 由语言描述、符号描述、几何描述等不同设计形式做出由语言描述、符号描述、几何描述等不同设计形式做出的项目设计文档，最后转化为硬件实物的过程，称为设的项目设计文档，最后转化为硬件实物的过程，称为设计实现。计实现。设计实现 描述 Description 设 计 Design 工 艺 Technology 抽象 Abstraction 风格 Style 模型 Model 设计和实现的关系 基于VHDL设计描述 我们用一个需要
11、特定资源的设计实体作为设计实现的举例。例 四位计数器。library ieee；use ieee.std_logic_1164.all；use work.std_arith.all；entity counter is port(clk，reset:in std_logic；count:buffer std_logic_vector(3 downto 0)；end counter；architecture archcounter of counter isbeginupcount:process(clk，reset)begin if reset=1then count=1010；elsif(cl
12、kevent and clk=1)then count=count+1；end if；end process upcount；end archcounter；基于FPGA器件的实现载体 可编程逻辑器件成为计算机应用、通信技术、自动控可编程逻辑器件成为计算机应用、通信技术、自动控制、仪器仪表领域广受技术人员欢迎的器件，是科学制、仪器仪表领域广受技术人员欢迎的器件，是科学实验、样机试制、小批量生产的最佳选择，是实验、样机试制、小批量生产的最佳选择，是ASIC芯芯片设计的实现载体之一。片设计的实现载体之一。VHDL 设计 综 合 实 现 FPGA 功能仿真 时序仿真 功能仿真 功能仿真 设计的实验室
13、实现流程 功能仿真 实现 HDL 设计 电路块 图形输入 状态机 图形输入 复杂 HDL 编辑器或 EMACS 编辑器 IP 内核 混合 VHDL、Verilog 及 EDIF 设计输入 综合 增量综合 增量布局布线 FPGA PLI 接口 比较 测试 文档 测试 文档 设计 硬件加速 代码覆盖 比较测试文档和仿真脚本，自动进行测试 功能仿真 功能仿真，时序仿真 比较测试文档和仿真脚本，自动进行测试 C 模型 集成电路的版图设计 物理设计 逻辑门网表(电路网表)全定制 定 制 标准单元 通用单元 积木块 混合式 半定制 门阵列 可编程逻辑器件 模块编译 线性阵列 有通道 门 海 现场可编程门阵
14、列 FPGA 复杂可编程器件 CPLD CMOS电路工艺基础 SiO2 CM CS N+n-掩膜版 1 （A）掩膜版 5 （E）CD 薄氧化层区 CC 掩膜版 2 （B）掩膜版 6 （F）CP 多晶硅 输出 掩膜版 3 （C）输入 掩膜版 7 （G）CS 掩膜版 4 （D）掩膜版 8（H）CG CM P 阱 n-si 集成电路版图全定制设计方法 1.全定制设计流程:版图编辑(EDIT)检查验证 2集成电路版图设计的一些考虑 版图综合（1）布图规划（floorplan）（2）布局（Placement）（3）布线（routing）（4）版图参数提取（Layout Parameter extract
15、）（5）一致性检查（Layout VS Schematic）（6）后仿真（Post Simulation）电路图（网表输入）布图规划（floorplan）布局（Placement）一致性检查（LVS）全局布线（Global routing）后仿真（post simulation）详细布线 （detailed routing）版图生成（Layout）版图参数提取 （LPE）掩模文件 版图设计流程 集成电路设计的工业实现 1.半导体产业模式的转变 2.无晶圆厂的ASIC公司(Fabless)3.制造代工业（Fountry）4.IP设计业（chipless）5.设计代工业(design foundr
16、y)6.设计服务业(design service)半导体工厂 设计部门 设计部门 生产部门 IC 设计公司 Fabless IP 设计公司 Chipless IC 代工厂 fountry 多项目晶圆流片 1 多项目晶圆的概念（1）MPW服务业务的社会需求（2）MPW服务业务的宗旨、作用（3）MPW服务的发展状况（4）MPW现状与存在的问题 2 多项目晶圆的实施过程（1）开发多项目晶圆计划的目的（2）MPW技术（3）NRE的概念（4）MPW服务体系建立的条件（5）MPW计划对设计资源的整合 多项目晶圆的发展 与国外MPW计划相比，我国多项目晶圆计划也经历了从教育研究界扩展到产业界的过程。中国集成电路产业正处于成长期，初创型中小企业大量涌现，对MPW计划的需求不断增加。我国多项目晶圆计划与国际著名的MPW计划相比还存在不小的差距，学习国外的先进经验，结合中国产业的实际情况，建设具有中国特色的多项目晶圆服务体系。习 题 1.VHDL程序到集成电路版图需要那些过程？2.怎样在实验室实现集成电路设计？3.什么是MPW多项目晶圆服务？4.设计一个8位CPU版图,参加MPW流片,并测试设计结果。
