集成电路设计导论

集成电路设计与硅设计链概述中关村益华软件技术学院陈春章艾霞李青青摘要：当代计算机、电子通讯和各种多媒体技术需求的迅速发展，使得集成电路的设计规模已从几个晶体管发展到今天千万门的逻辑电路的设计，设计的复杂性也与日剧增，设计分工也渐趋明确。

过去的五十年，集成电路产业经历了一次次的工艺技术革命和设计方法学的演变，逐渐形成了较为成熟的产业结构。

以ASIC与SoC数字集成电路为例，芯片的设计往往依赖于IP厂商，晶圆生产商，设计库提供商及 EDA厂商的相互合作配合才能实现，本文拟对这样的合作配合模式-- 集成电路硅设计链和它的发展特点作一介绍。

IC Design and Silicon Design ChainAbstract: The demand and their rapid development of computers, electronic communication, and variety consumer & multimedia products have led to the IC design sizes from a few tens of transistors to one hundred million gates. The IC design itself has become more complex, the classification of design methods is becoming clearer. Due to the advancement of process technology and design methodology in the past half centuries, the infrastructure of IC industry has become mature. For successful design of an ASIC/SoC chip, it may rely on the close collaboration between the foundry, the library vendor, the IP provider and the EDA support. This short article introduces such collaboration model, namely, the silicon design chain and its evolving features.1． IC设计概述集成电路（IC）的发展从小规模集成电路（晶体管级），中、大规模集成电路（LSI）设计，到含几十万门逻辑电路的超大规模集成电路（VLSI）设计，直至当代数百万至数千万门逻辑电路的ASIC或SoC设计。

集成电路设计也逐渐演变成集成系统设计。

IC规模的增大，速度的提高都是建立在工艺进步的基础之上，制造工艺从微米级快速发展到亚微米级（sub-micron，即< 1 um）、深亚微米级(deep sub-micron, DSM)，而今已实现了65纳米（nm）制造工艺及产品的实现。

20世纪末先进的0.25um工艺到了21世纪将会逐渐被认为是过时的技术。

由于复杂的IC从设计到实现会滞后于工艺的发展，所以工程技术人员奋力于研究先进的设计工具、设计平台和设计方法，尤其注重于与晶圆生产商，设计库提供商，IP厂商及EDA厂商的合作配合。

集成电路设计按照其处理信号的特征可分为数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路设计。

数字集成电路首选代表为CPU芯片和当代的ASIC/SoC芯片等，数模电路则主要用于通讯和无线传输电路，模拟电路主要应用于传输接口部分以及射频电路。

本文系根据作者于2004年9月28日为北京工业大学电子信息与控制工程学院研究生演讲整理扩充而成。

集成电路的主流产品设计以计算机CPU芯片的设计为例，它们的典型技术特性有案可寻（图一）。

ASIC通常包含称作“用户自有加工”即COT(custom owned tooling)模块，典型设计有用于PC的各种图像显示芯片，例如CGA/EGA/VGA/SVGA芯片等。

ASIC的设计也被分为“经典”ASIC（80年代至90年代中期），“现代”ASIC及“结构式”（structured）ASIC。

所谓“经典”ASIC一般认为其所设计的产品通常仅为单个用户而设计，设计风格通常由设计工程师负责“前端”设计，即芯片的规范定义至网表的逻辑综合结束；再由半导体厂商负责“后端”设计，即布局布线。

所谓“现代”ASIC则不再以提交门级网表和时序数据作为IC“前端”与“后端”的分工，仅有功能设计而不涉及物理设计几乎是一种不可能实现的方案，因而“前端”与“后端”则分别扩展为系统至逻辑的设计验证和芯片的物理综合布局布线的实现。

所谓“结构式”ASIC或称为ASIC平台是近两年根据SoC设计的需求提出的一种方案，这种设计发挥了标准库（standard cell）设计的优点，它是用FPGA查找表（LUT）的特点去实现的一种设计方法。

例如LSI Logic 和Synplicity的合作就属于这样的模式。

图一：经典CPU芯片技术指标图例对于SoC设计，人们把IP模块（也称作VC）在SoC中的复用（IP-reuse）设计作为专题进行研究。

其重点是IP模块能在不同的设计平台和工艺上予以实现。

集成电路设计和它名称的变更不仅仅体现工艺与技术的进展，更重要的是其设计流程和方法的革新，反映IC 设计的独立、合作与相互依靠的模式。

2. 超大规模集成电路设计流程超大规模集成电路的设计复杂，类型繁多，它们在当代IC设计中有着广泛的应用。

设计类型包括前面介绍的CPU芯片，通讯、网络芯片，家电、汽车和多媒体等芯片的设计。

超大规模集成电路设计的发展从理论和概念上奠定了IC设计的基础，从方法和手段上形成了不同的流程，尤其是各种EDA工具的开发与竞争，使得VLSI的设计工作成为一种相对成熟的产业。

和SoC设计相比，VLSI设计实现的系统一般功能单一，模块相对简单。

而复杂的系统设计在PCB板级上实现，它由多个芯片组合而成。

超大规模集成电路设计大致可以分为：1）逻辑设计与验证（logic design & verification）；2）物理设计与验证(physical design and verification), 包括版图设计(layout)、设计规则检查（DRC）、版图原理图验证（LVS），以及器件建模（device modeling）、建库（library）等；3) 物理实现（physical implementation，即synthesis place & route, 综合布局布线）。

VLSI全部设计流程可以由下图表示。

图二：VLSI设计流程从流程图中可以看出数字设计和模拟设计是两种不同的流程。

左路数字设计方法表明，基本的单元库是由专门设计库的单位或者代工厂提供的标准的库，用户的设计都是基于使用标准库中的标准单元来实现设计，用户的主要任务是逻辑设计和布局布线。

一般数字电路都采用这样的设计方法，当然用户也可以向代工厂申请工艺制造规则和制造参数建立自己的库。

右路是主要应用于模拟电路设计中的全定制的设计方法，用户根据设计的网表，借助于版图设计工具直接画出所有的器件和连接线。

VLSI中的逻辑设计是先进行各个功能模块（module）的设计，再进行优化（optimization）和综合（synthesis）。

过去物理实现设计由于受硬件（工作站）和EDA工具的限制，对于大的设计，只能将每个模块单独处理，再拼砌而成。

因此人们把它们称作自下而上（bottom-up）的多层次（hierarchical）设计途径。

3. 当代ASIC/SoC设计特点和方法在当代纳米技术条件下，ASIC和SoC的设计从功能到实施有了很多相同之处，为简便起见，本文将它们一并讨论。

所谓 SoC（片上系统）的芯片设计，指单一硅片上集成了现在称为模块、过去称为芯片的部件：中央处理器(CPU)、存储单元(RAM/ROM)、专用数字信号处理模块(DSP)、存储控制单元(MCU)、应用逻辑电路和模拟电路（如ADC、DAC、PLL）以及相应的接口(如PCI，USB)等，构成了一个完整的嵌入式操作系统，完成专业领域内某个特殊的功能。

它的集成度一般在几百万门以上到几千万门或更大，其设计比传统的集成电路设计要复杂得多。

SoC设计也分为以数字（Digital）电路为主模拟(Analog)电路为辅的（“大D小A”） 数字SoC，或以模拟电路为主（“小D大A”）的数模SoC设计，见图三、图四。

它们间的差别之一是其侧重点：前者以数字电路为主，例如CPU和DSP；后者以模拟电路为主，例如RFIC。

数字SoC和模拟SoC设计的共同处是：由于设计越来越复杂，设计者并不必或并不可能设计每个模块，他们可以采取咨询的方案，或者直接购买一些模块通常称作IP核来实现。

图三：数字SoC设计芯片的可能含有的功能模块示意图图四：数模SoC设计芯片的可能含有的功能模块示意图SoC的逻辑设计从系统顶层实行多层次的（hierarchical）功能模块（module）的全局优化和物理综合设计，物理实现设计不再受硬件（工作站）和EDA工具的限制，对于千万逻辑门以上的设计，先进的EDA工具可以将全部数据一次读进来，并根据设计特点，进行“硅虚拟原型（SVP, silicon virtual proto-typing）”设计，也可以将设计重新切割（partition）。

因此人们把它们称作自顶而下(top-down)的多层次（hierarchical）设计途径，如图五所示。

软硬件的协同设计、IP核的设计核复用是SoC设计的两个重要特点，而纳米电路设计技术是SoC设计的难点。

图五：SoC芯片设计技术IP核的设计包含了VLSI设计的全部工作或更多。

IP核是指一个经过验证的IC设计，它有三种表现形式：软核、固核和硬核。

为了促进IP使用并简化外部IP与内部设计之间的接口，工业界成立了不同的组织（如VSIA协会、OpenMORE、RAPID和VCX组织等）以推动设计复用标准的发展口。

从而IP设计公司也和设计库（library）公司构成了IC设计链的重要环节。

伴随着EDA工具的开发，逻辑设计和物理设计阶段的仿真与验证技术发展极大地提高了芯片的产出率，降低了设计迭代，节约了设计成本。

仿真验证技术现在是集成电路设计的关键技术之一，所以EDA工具得到大家共同的认可和信赖。

EDA厂商和晶圆生产商，设计库提供商的合作发展为集成电路产业中不可缺少的环节。

4. 集成电路硅设计链纵观集成电路的发展，集成电路的设计链也在不断的完善和丰富。