超大规模集成电路设计.ppt

1、Chap 1 绪论绪论 课程内容 Part 1 超大规模集成电路设计导论超大规模集成电路设计导论 CMOS工艺工艺、器件、器件/连线连线 逻辑门单元逻辑门单元电路、电路、组合组合/时序时序逻辑逻辑电路电路 功能块功能块/子系统（控制逻辑、数据通道、存储器、总线）子系统（控制逻辑、数据通道、存储器、总线） Part 2 超大规模集成电路设计方法超大规模集成电路设计方法 设计流程设计流程 系统设计与验证系统设计与验证 RTL设计与仿真设计与仿真 逻辑综合与时序分析逻辑综合与时序分析 可测试性设计可测试性设计 版图设计与验证版图设计与验证 SoC设计概述设计概述 课程参考书 （仅适用于（仅适用于Pa

2、rt 1Part 1） 中文版 现代VLSI设计系统芯片设计（原书第三版） 美韦恩沃尔夫 著 科学出版社 英文版 Modern VLSI Design: System-on-Chip Design, 3th by Wayne Wolf 该书的前半部分该书的前半部分 （Chap1Chap1- -6 6） 绪绪 论论 1. IC：从设计、制造、封装、测试到芯片产品：从设计、制造、封装、测试到芯片产品 2. IC设计：设计流程及其EDA工具 集成电路（集成电路（IC）的发明）的发明 1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer提出了集成电路的设想。 1958年TI公司Clair Kilb

3、y的研究小组发明了第一块集成电路，12个元件，锗半导体 获获2000年年Nobel物理奖物理奖 第一块微处理器芯片第一块微处理器芯片 Intel公司, 1971年 4004中央处理 器(CPU) 集成电路的发展：摩尔定律集成电路的发展：摩尔定律 由Gordon Moore提出（Gordon Moore是Intel的创立者之一） Moores Law：每个芯片上的晶体管数目，以指数形式增加，每18个月翻一番 摩尔定律：微处理器的发展摩尔定律：微处理器的发展 8080 8086 80286 80386 80486 Pentium PentiumPro Pentium III Itanium Pen

4、tium IV 当前：超大规模集成电路当前：超大规模集成电路(VLSI)时代时代 为什么采用为什么采用VLSI：人们对电子系统的需要：人们对电子系统的需要 功能要求越来越复杂：电路规模 性能要求越来越优良：速度、功耗 成本相对来讲最好低一点：尺寸 由于集成电路在电子系统中的核心作用，集成电路在系统功能、由于集成电路在电子系统中的核心作用，集成电路在系统功能、 性能和成本中所起的作用是关键性的性能和成本中所起的作用是关键性的 集成电路的三个关键特性（功能要求定下来的前提下）集成电路的三个关键特性（功能要求定下来的前提下） 尺寸 速度 功耗 集成电路：从集成电路：从 Spec. 到芯片产品到芯片产

5、品 设计设计 制造制造 封装测试封装测试 设计设计 制造制造 封装测试封装测试 芯片产品芯片产品 整机厂商整机厂商 Fabless （Dsign House） 无生产线设计企业无生产线设计企业 Foundry（Fab） 代工厂（生产线）代工厂（生产线） 封装厂封装厂 测试测试厂厂 IDM 集成的器件制造商集成的器件制造商 体现出了体现出了集成电路产业链：集成电路产业链： 设计业、制造业、封测业设计业、制造业、封测业 集成电路：从集成电路：从 Spec. 到芯片产品到芯片产品 设计设计 制造制造 封装测试封装测试 晶圆测试晶圆测试 （中测）（中测） 成品测试成品测试 （成测）（成测） 设计结果设

6、计结果 掩模版（光罩掩模版（光罩 版、版、Mask） 晶圆（管芯）晶圆（管芯） 芯片芯片 设计结果：芯片版图（设计结果：芯片版图（Layout） An Example Chip Layout of Intel Pentium Pro - 5.5 million FETs 掩模版（光罩版、掩模版（光罩版、Mask） 版图版图 Layout 晶圆制造晶圆制造 掩模版掩模版 封装 晶圆制造晶圆制造 从空白晶圆（从空白晶圆（Wafer）到图案化的晶圆）到图案化的晶圆 版图版图 管芯管芯 LayoutDie 制造制造（1） 芯片制造的大致步骤芯片制造的大致步骤 掩模版（光罩版、掩模版（光罩版、Mask）

7、制作）制作 对每层版图都要制作一层掩模版，实际是光刻工序的次数 除金属层外，一般CMOS电路至少需要20层以上掩模版 晶圆制造（光刻）晶圆制造（光刻）（Wafer Manufacturing） 制造工艺的种类制造工艺的种类 Bipolar MOS（NMOS、PMOS） CMOS（当前主流工艺）（当前主流工艺） BiCMOS 其它特殊工艺 制造制造（2） 制造工艺的发展趋势制造工艺的发展趋势 特征尺寸越来越小：1, 0.8, 0.6, 0.5, 0.35, 0.25, 0.18, 0.15,0.13 微米; 90, 65, 40, 28，20纳米 晶圆直径越来越大：4, 5, 6, 8, 12

8、英寸 率先用于数字IC，特别是DRAM和Flash等存储器电路 结果：规模越来越大，性能越来越高，单片制造成本相对越来越 低 世界知名的制造厂（世界知名的制造厂（Foundry） 代工厂 TSMC、UMC、Charter、SMIC IDM Intel、Samsung、TI、ST 18 封装测试封装测试 掩模版掩模版 封装 封装封装（1） 先进行晶圆切割先进行晶圆切割 (Sawing Wafer) 封装封装（2） 封装（封装（ Packaging ）可以满足芯片的以下几个需要）可以满足芯片的以下几个需要 给予芯片机械支撑机械支撑 协助芯片向周围环境散热散热 保护芯片免受化学腐蚀 封装引脚可以提供

9、芯片在整机中的有效焊接有效焊接 Die Package 封装方式封装方式 DIP双列直插式 PLCC塑料有引线芯片 载体 QFP塑料方型扁平式 PGA插针网格阵列 BGA球栅阵列 MCM、SIP的多芯片封 装方式 我国知名的封装厂我国知名的封装厂 长电 南通富士通 封装封装（3） DIP PLCC QFP LQFP TQFP PGA BGA 测试测试（1） 中测（晶圆测试、中测（晶圆测试、 Wafer Testing、CP测试）：晶圆制造完成后测试）：晶圆制造完成后 的测试的测试 测试在制造过程中形成的故障 不能测试在封装过程中形成的故障（因为此时还没有封装），所以中 测以后必须进行成测 可以

10、在封装前测试出故障芯片，避免这部分故障芯片的封装费用，适 用于封装费用比较昂贵的芯片。所以，封装费用低廉的芯片可以不经 过中测 自动测试仪ATE（Teaster） 自动探针台ProbeStation 测试测试（2） 成测（成品测试、成测（成品测试、Final Testing 、FT）：芯片封装完成后的测）：芯片封装完成后的测 试，需对每个芯片进行测试试，需对每个芯片进行测试 测试在制造、封装过程中形成的故障 是必须经过的过程，但对经过中测的芯片可以相对简单 自动测试仪ATE 芯片自动分拣机（或称机械手）Handler 测试测试（3） 世界知名的测试仪器和设备世界知名的测试仪器和设备 Advan

11、test（爱德万） Teradyne（泰瑞达） Credence（科利登） Verigy（原Agilent 安捷伦半导体测试部门） 绪绪 论论 1. IC：从设计、制造、封装、测试到芯片产品 2. IC设计：设计流程及其设计：设计流程及其EDA工具工具 1）数字）数字IC设计流程设计流程 2）模拟）模拟IC设计流程设计流程 3）设计对制造和封测的影响）设计对制造和封测的影响 IC的大致分类的大致分类 (1) ICIC FPGA/CPLDFPGA/CPLD 数字数字ASICASIC（掩膜）（掩膜） 基于门阵列基于门阵列 基于标准单元基于标准单元 基于全定制基于全定制 数字数字ICIC 混合混合

12、ASICASIC SOC 混合信号IC 射频/模拟IC IC的大致分类的大致分类 (2) 集成电路 数字IC：处理数字信号，可以做成很大的规模 ASIC（需制作掩模） Application Specific Integrated Circuit 专用集成电路 FPGA/CPLD（可以编程，不需制作掩模） Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列 Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件 模拟/射频IC：处理模拟信号，规模远不如数字IC 放大器（ RF放大器、中放、运放、功放）；比较器；振荡 器；混频器；模拟PL

13、L；稳压稳流源等 数模混合信号IC： ADC、DAC；某些Driver；电源管理；等等 SOC：System on Chip（系统集成电路，片上系统） IC的大致分类的大致分类 (3) 数字IC中，数字ASIC与FPGA/CPLD 的区别 ASIC：需制作掩模 设计时间长，硬件不能升级 芯片面积小，性能可以得到较好的优化 适合芯片需求量大需求量大的场合：片量用于平摊昂贵的光罩掩模制版 费，降低单片生产成本 FPGA/CPLD：可以编程，不需要后端设计/制作掩模 开发门槛较低，设计时间较短，可方便和快速地升级优化硬件 芯片面积大，性能不够优化 适合芯片需求量小需求量小的场合：不用支付昂贵的光罩掩

14、模制版费 作为数字ASIC设计流程中的必要步骤：ASIC设计中前端设计 的FPGA原型验证（HDL功能验证） IC设计与设计与EDA技术技术/EDA工具工具 (1) EDA（Electronic Design Automatic，电子设计自动化) 是指以计 算机为工作平台的电子电子CAD工具软件工具软件集 EDA工具使得设计者的工作仅限于利用软件的方式仅限于利用软件的方式，就能完成对 系统硬件功能和性能的实现 集成电路设计从一开始就依赖于EDA技术及工具，离开EDA技术 集成电路设计将寸步难行。而且随着技术的进步，集成电路的设 计越来越依赖EDA工具 工艺越来越先进，线宽越来越小 功能越来越复

15、杂，规模越来越大 性能要求越来越高，速度越来越快，对功耗的要求越来越高 产品上市的时间（time to marketing）越来越短，对设计时间的要求 越来越短 集成电路设计反过来也促进了EDA技术及工具的发展 IC设计与设计与EDA技术技术/EDA工具工具 (2) EDA工具的作用对象工具的作用对象 EDAEDA技术技术 ICIC设计设计 FPGA/CPLDFPGA/CPLD 设计设计 数字数字ASICASIC设计设计 基于门阵列基于门阵列 基于标准单元基于标准单元 基于全定制基于全定制 数字数字ICIC 混合混合 ASICASIC 设计设计 PCB SOC 混合信号IC 模拟/射频IC I

16、C设计中需要考虑的因素设计中需要考虑的因素 满足功能功能和性能性能的要求 性能：速度、功耗 降低芯片成本成本 单芯片成本计算单芯片成本计算 CT = CD/N + CP/(y n) + 封装测试成本封装测试成本 第一项表示分摊到每个芯片上的设计费用：第一项表示分摊到每个芯片上的设计费用：CD是设计及掩模制版费（也叫是设计及掩模制版费（也叫NRE费用），费用）， N是总产量是总产量 第二项表示每个芯片的制造费用：第二项表示每个芯片的制造费用：CP是每个晶圆的制造费用，是每个晶圆的制造费用，n是每个晶圆上的管芯数，是每个晶圆上的管芯数，y是晶圆成品率是晶圆成品率 降低芯片设计成本 良好的设计流程

17、降低芯片制造成本 优化设计来减少芯片面积，增加每个晶圆上的管芯数 在设计中采用DFM方法来提高芯片制造成品率 降低芯片测试成本 在设计中采用可测试性设计（DFT）方法，降低每个芯片的测试时间 延长芯片使用寿命 如热均匀分布等 缩短芯片面市时间（Time-to-Market） 数字数字IC设计流程设计流程 包括：数字包括：数字ASIC设计流程设计流程 FPGA/CPLD设计流程设计流程 数字数字IC设计设计 在VLSI时代，数字IC设计是VLSI设计的根本所在 更大的规模（复杂度） 更好的性能 更低的功耗 超深亚微米（VDSM）工艺技术：对互连问题的关注 设计方法：层次化 从高层次的系统抽象描述

18、，逐级向下进行设计/综合、验证，直到物 理版图级的低层次描述 系统（功能）级寄存器传输级（RTL）门级电路级 物理 版图级 层次化的设计方法使复杂的电子系统简化，并能在不同的设计层次 及时发现错误并加以纠正 设计方法：结构化 把复杂的系统划分成一些可操作的模块，允许多个设计者同时设计， 而且某些模块的可以复用 数字数字ASIC 设计流程概述设计流程概述 设计流程 前后端、三阶段 设计/综合验证 RTL前端 行为设计功能验证 最终得到的是RTL Source Code GDSII后端：后两个阶段 逻辑/版图综合综合验证验证(时 序分析/版图验证） “综合”可以不太精确地 理解为：人工控制和干预

19、的自动化设计自动化设计 曾经的前端、后端的界限： 以门级电路网表（netlist) 为界（左图虚线部分） RTL前端前端 GDSII后端后端 前端前端 后端后端 功能仿真功能仿真 版图验证版图验证 Tape-out 数字数字ASIC设计流程（简化流程）设计流程（简化流程） RTL设计与功能仿真设计与功能仿真 RTL编码设计（编码设计（RTL Coding） RTL功能仿真（功能仿真（RTL Simulation） 逻辑综合与时序分析逻辑综合与时序分析 逻辑综合（逻辑综合（Synthesis） 时序分析（时序分析（Timing Analysis） 版图设计与验证版图设计与验证 布局布线（布局布线

20、（Place & Route） 版图验证（版图验证（Layout verification）&版图后仿真版图后仿真 （Post-Layout Timing Analysis） RTL Source Code RTL 仿真仿真: VCS、NC、Modelsim 逻辑综合逻辑综合: Design Compiler (DC) 布局布线布局布线: Encounter、Astro 版图验证版图验证 版图后仿真版图后仿真 DRC/LVS: Calibre 参数提取参数提取: Star-RCXT 时序分析时序分析: Primetime Tape-out 时序分析时序分析: Primetime 数字数字ASI

21、C设计流设计流 程中采用的典型程中采用的典型 EDA工具工具 常用的EDA工具提供商 Cadence Synopsys Mentor Graphics RTL编码设计编码设计（1） RTL （寄存器传输级）设计 用硬件描述语言HDL（Verilog、VHDL）来描述 硬件描述语言（Hardware Description Language） HDL 描述硬件电路，抽象地表示电路的结构和行为（怎样组成，完成什 么功能） 原理图设计输入法虽然直观，但设计效率不高 HDL是文本，可读性好，便于交流、维护和移植 当前主流的HDL Verilog HDL VHDL（VHSIC HDL） VHSIC：Ve

22、ry High Speed Integrated Circuit RTL编码设计编码设计（2） HDL描述的两种方式 结构描述：若干部件用信号线互连形成一个实体 行为描述：反映信号的变化、组合和传播行为，特点是信号的延迟和 并行性 HDL的特点 层次化：可在不同设计层次进行描述，并可以多层次混合描述 结构化：可描述实体结构 抽象性：可进行行为描述 既可被仿真验证，又可被综合（生成电路网表） HDL的作用 具有与具体硬件电路无关与具体硬件电路无关和与与EDA工具平台无关工具平台无关的特性，简化了设计 支持从系统级到门和器件级的电路描述，并具有在不同设计层次上的 仿真/验证机制 可作为综合工具的输

23、入，支持电路描述由高层向低层的转换 RTL功能仿真功能仿真 检验RTL级的HDL设计是否实现了Spec.需要的功能 仿真：先对设计进行一系列的激励（输入），然后有选择的观察响应（输出）仿真：先对设计进行一系列的激励（输入），然后有选择的观察响应（输出） 激励与控制激励与控制：设置输入端口，输入激励向量，同 响应和分析响应和分析：及时监控输出响应信号变化，判断是否正确、合法 常用的仿真常用的仿真EDA工具工具：VCS (Synopsys), Modelsim(Mentor), NC(Cadence） 逻辑综合逻辑综合 逻辑综合：将描述电路的RTL级HDL转换到门级电路网表netlist的过程 根

24、据该电路性能性能的要求（限制），在一个由制造商提供的包含众多结构、 功能、性能均已知的逻辑元件的单元库单元库的支持下，寻找出一个门级逻辑网 络结构的最佳最佳实现方案，形成门级电路网表netlist 综 合 EDA 工 具 主 要 包 括 三 个 阶 段 ： 转 换 (Translation) 、 优 化 (Optimization)与映射(Mapping) 转换阶段：转换阶段：将RTL用门级逻辑来实现，构成初始的未优化电路。 优化与映射：优化与映射：对已有的初始电路进行分析，去掉电路中的冗余单元，并对 不满足限制条件的路径进行优化，然后将优化之后的电路映射到由制造商 提供的工艺库上 常用的验

25、证 EDA工 具 ： Design Compiler（Synopsys) 时序分析时序分析 对于VLSI，时序分析一般采用静态时序分析STA（Static Timing Analysis），以验证门级逻辑网络结构netlist的时序是否正确 STA工具的基本思想: 在netlist中找到关键路径 关键路径关键路径是netlist中信号传播时延的最长路径，决定了芯片的最高工 作频率 STA工具可以分为三个基本步骤: 第一步是将netlist看成一个拓扑图 第二步是时延计算 连线时延 (net delay) 单元时延 (cell delay) 第三步是找到关键路径并计算时延，进行判断 常用的时序验

26、证EDA工具:PrimeTime（Synopsys) 时序图的转化 单元时延 连线时延 STA原理图 布局布线布局布线 布局布线: 将门级电路网表（netlist）实现成版图(layout) 常用的EDA工具：Encounter（Cadence）、Astro (Synopsys) 版图验证版图验证 版图验证包括DRC和LVS DRC（Design Rule Check）：保证版图的可制造性 保证版图满足芯片制造厂的版图设计规则（Design Rule） LVS（Layout Versus Schematic）： 证明版图与门级电路网表netlist的一致性 常用的DRC/LVS EDA工具 M

27、entor 的Calibre Synopsys的Hercules 版图后仿真版图后仿真 版图后仿真保证版图是否满足时序的要求 版图后仿真之前首先要进行参数提取 参数提取：提取版图的连线时延信息（RC Extract） 版图后仿真STA 常用的参数提取EDA工具 Synopsys的StarRCXT 常用的版图后仿真STA EDA工具 Synopsys的PrimeTime FPGA/CPLD设计流程设计流程 设计输入 功能仿真 逻辑综合 位流文件 适配 配置器件 时序仿真 RTL HDL EDIF or XNF netlist file ModelSim HDL、图形、混合输入、图形、混合输入 S

28、ynplify ModelSim SDF 设计输入设计输入 图形输入 HDL输入 混合输入 仿真、综合与适配仿真、综合与适配 功能仿真：HDL设计是否实现Spec.功能要求。采用的EDA工具： Modelsim（Mentor） 逻辑综合：HDL转化为FPGA门级网表。采用的EDA工具： Synplify（Synplicity）、Precision（Mentor） 时序仿真 不同于前面提到的静态时序仿真STA，是动态时序仿真 采用的工具：Modelsim 适配：也称结构综合或FPGA布局布线，是将由综合产生的网表文件 配置于指定的目标器件(FPGA/CPLD)中，产生最终的下载文件，如 JEDE

29、C、Jam格式的文件 FPGA/CPLD 器件及其开发工具器件及其开发工具 FPGA/CPLD 器件提供商 Altera Xilinx FPGA/CPLD 开发的EDA工具一般由器件生产厂家提供，但器件 厂家只开发集成开发环境IDE和与器件密切相关的适配工具，功能 仿真和综合工具实际是由第三方EDA软件开发商公司提供 Altera Quartus II （前身为Maxplus II ） Xilinx ISE 模拟模拟IC设计流程设计流程 模拟模拟IC设计流程设计流程 模拟IC设计流程是全定制设计流程全定制设计流程 电路图编辑 常用的工具：Cadence Virtuoso Schamatic C

30、omposer 电路仿真（电路模拟）：俗称 SPICE 仿真 常用的工具： Synopsys HSPICE，Cadence Spectre 版图编辑 常用的工具： Cadence Virtuoso Layout Editor（LE） 版图验证与后仿真 DRC/ LVS： DRC保证版图满足芯片制造厂的设计规则 / LVS证明版 图与网表的一致性，常用的DRC/LVS EDA工具： Mentor Calibre Synopsys Hercules 参数提取：提取版图的连线时延信息（RC Extract），常用的参数提 取EDA工具 Synopsys StarRCXT 版图后仿真：SPICE 典型

31、设计流程及典型设计流程及EDA工具工具 MPW：对设计、制造和封测的作用：对设计、制造和封测的作用 MPW对设计、制造和封测的作用对设计、制造和封测的作用 为什么要需要MPW样片？ 在设计阶段只是采用软件仿真的方式对芯片进行验证，通过MPW可 取得的样片，进行真实硬件环境下的： 芯片功能和性能（设计设计）的测试验证和评价 将芯片放在实际的整机系统中，用各种测试仪器设备，看系 统是否正常工作 芯片制造制造工艺的验证和评价：确定量产芯片的制造厂商 芯片量产测试测试方案的调试和基本确定：确定ATE及测试方案 设计与制造、封测之间的设计与制造、封测之间的MPW环节环节 IC 设计： 版图 EDA MPW、封装： 样片 测试仪器 芯片制造： 晶圆 封装测试： 量产芯片 设计流程： EDA 工具 软件 制造工艺 自动测试机（ATE） MPW 怎么搞？怎么搞？ MPW叫做多项目晶圆流片：廉价 Multi-Project Wafer A单位的流片项目 B单位的流片项目 D单位的流片项目 C单位的流片项目 对MPW出来的晶圆要进行切割和封装，才能得到样片 Summary IC设计、制造、封装、测试 IC设计 IC分类 IC设计与EDA工具 IC设计中需要考虑的因素 数字IC设计流程 数字ASIC设计流程 FPGA/CPLD设计流程 模拟IC设计流程 MPW对设计、制造和封测的作用