集成电路设计
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微处理器，模拟电路，IP核…
标准单元 (Standard Cell)
预先设计好的标准单元，设计周期短，性能较好 专用电路 (ASIC)
可编程逻辑器件 (FPGA/PLD)
预先生产的芯片，设计周期最短，低研发成本
原形验证(Prototyping)，可重构计算
14
集成电路设计方法的比较
34
文件系统的层次结构
根目录
home user123
usr
bin
dev
var EDA
etc
tmp
mentor_setup nfs.setup mentor_work all.setup proj1 proj2 proj3
$ cd /home/EDA/mentor_setup
$ cd /home/user123
www.hed.com.cn www.zeni-eda.com
九天（Zeni）系统是熊猫（Panda）系统的改进版，
由我国在80年代后期自主开发，面向全定制和半定制大 规模集成电路设计的EDA工具软件。 覆盖了集成电路设计的主要过程，包括： 基于语言的和基于图形的设计输入，各个级别的设计 正确性的模拟验证（ZeniVDE）； 交互式的物理版图设计（ZeniPDT）； 版图正确性验以及CAD数据库 （ZeniVERI）。
24
工作站平台上的主流EDA软件
Cadence EDA软件 数字系统模拟工具Verilog-XL； 电路图设计工具Composer； 电路模拟工具Analog Artist； 射频模拟工具Spectre RF； 版图编辑器Virtuoso Layout；
布局布线工具Preview；
版图验证工具Dracula等
《集成电路设计技术与工具》 王志功，东南大学出版社 《模拟集成电路设计精粹》 Sansen，清华大学出版社 《数字集成电路——设计透视》Jan M.Rabaey，清华大学出版社 《CMOS集成电路版图—概念、方法与工具》 Dan Clein,电子工业出版社
11
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章
21
按照规格要求，选用已用于工 业的成熟模块，略微修改、组 合成满足规格要求的电路。
GDSII文件
数字集成电路设计流程
数字电路设计 Verilog/VHDL进行 行为级功能设计 行为级功能仿真 综合(Synthesis) 门级verilog仿真 与电路图一致性验证 (LVS: Layout vs. Schematic) GDSII文件
tmp
mentor_setup nfs.setup mentor_work all.setup proj1 proj2 proj3 $ pwd 显示当前路径，如“/home/user123”
33
文件系统的层次结构
根目录
home user123
usr
bin
dev
var EDA
etc
tmp
mentor_setup nfs.setup mentor_work all.setup proj1 proj2 proj3 $ ls 列出当前路径下的文件和文件夹
单片成本 开发费用
开发周期 长
全定制 标准单元 可编程逻辑器件
低
高
高
低
短
15
产量不同时成本与设计方法的关系
16
全定制的集成电路设计
运算放大器的设计
17
全定制的集成电路设计
运算放大器版图设计
18
电路设计抽象级别
ENABLE ENABLE
使能电路 上电复位电路
DIN
发送控制电路
输出驱动电路
OUT1 OUT2
22
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
布局布线 (LAYOUT) 物理规则验证 (DRC: Design Rule Check)
本课程采用的设计流程
设计目标 User concept 原理图设计与输入 Schematic 电路仿真 simulation 版图绘制与优化 Layout 设计规则检查 DRC check
原理图与版图一致性比较 LVS check
寄生参数提取 Parasitic parameter
后仿真 simulation 工艺文件 Files from foundry 版图文件输出 Export GDS file
23
集成电路设计EDA工具介绍
• EDA—Electronic Design Automation
集成电路设计
引言：芯片，现代社会的基石
PDA：掌上电脑 内存条
手机 数码相机
主板
计算机
2
Integrated Circuit (IC)
以半导体材料为基片，将至少有一个是有源元件的 两个以上元件和部分或者全部互连线路集成在一个基片 上，以执行某种功能的电子产品。
芯片内部 集成电路 芯片 内存条 主板
• CMOS技术:
• 低功耗 • 高集成度
• 抗噪声
• Bi-CMOS技术:
7
现代IC设计绝大多数采用CMOS工艺
数字电路 数模混合电路 现代模拟电路
8
利益驱动下，IC特征尺寸不断缩小
1960年：25um 1990年：1um 2000年：0.18um 2009年：45nm
1000
特征尺寸（纳米）
25
Synopsys EDA软件 以它的综合工具而称著。 综合平台 DC Ultra 布局布线系统 Apollo-II 三维全芯片参数提取 Star-RCXT
层次化物理验证 Hercules
门级静态时序分析 PrimeTime 高质量的IP库 DesignWare Library 自动测试向量生成 TetraMAX ATPG 。。。。。。。。。
基准源
共模反馈电路
偏置电路
系统级
结构级
晶体管级
器件物理级
19
集成电路设计流程
设计目标 功能与性能指标 划分功能模块，系统级仿真 行为级/寄存器级/门级 /晶体管级电路设计与仿真 布局布线，规则验证 后仿真 寄生参数 芯片 测试
20
系统级设计
前端设计
电路原理图设计
电路版图设计
后端设计
模拟集成电路设计 数字集成电路设计
38
Creating a Project
• Open ICStudio by typing the command icstudio
39
Menu Bar and Icons Area
Libraries Area Cells Area
Views Area
40
To create a project click on File > New > Project from the menu bar
100
10
1
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
9
Beyond 90 nm
90nm工艺
65nm工艺
45nm工艺
30nm工艺
10
先修课程
理论课： 语言：
模拟集成电路设计
数字集成电路设计 半导体工艺技术
Spice
本课程
集成电路设计实践环节
• 从市场占有来看， Cadence 的强项产品为 IC 版 图设计和服务， Synopsys 的强项产品为逻辑 综合, Mentor Graphics的强项产品为PCB设计 和深亚微米IC设计验证和测试等。
• Mentor的网站： www.mentor.com www.mentorg.com.cn
$ cd /home/user123/mentor_work (进入ICstation软件的命令字)
37
project
工程
lib1 group1
lib2
lib3
device
sources generic group2
…
cell1
cell2 view1 view2 view3
View的类型: schematic, symbol, layout, design configuration, spice, verilog, vhdl, …
31
进入linux系统
• 1, 开机,用上下键选择到linux系统栏目,按 enter键进入linux5; • 2, 登录时无须密码,直接按enter;
• 3, 进入系统后,打开桌面的"系统终端"的快 捷方式
32
文件系统的层次结构
根目录
home user123
usr
bin
dev
var EDA
etc
模拟集成电路设计
模拟电路设计
布局布线(Layout) 晶体管级原理图设计 SPICE仿真
CMOS、双极(Bipolar)、Bi-CMOS
物理规则验证 (DRC: Design Rule Check)
与电路图一致性验证 (LVS: Layout vs. Schematic) 寄生参数提取 (PE: Parasitical Extraction) 后仿真
28
Silvaco EDA软件
工艺计算机辅助设计(TCAD);
基于PDK(制造验证工艺设计工具 )的定制IC CAD设计
• 工艺仿真和器件仿真；
• SPICE 模型的生成和开发；
• 互连寄生参数的极其精确的描述；
• 基于物理的可靠性建模以及传统的CAD。
29
Mentor Graphics的特色
26
Mentor graphics EDA软件
具有EDA全线产品，包括： 仿真工具Eldo、 ModelSim等 ; 验证工具Calibre 系列； IC设计工具icstudio； FPGA设计系统; IC测试软件FastScan 、DFT、DFM等 ;
PCB设计系统
27
Zeni EDA软件
36
进入集成电路设计界面
$ cd /home/user123
$ ls
(察看当前路径下的文件,可省略)
$ source nfs.setup (从服务器上向本机导入mentor软件副本， 该副本在用户注销/关机后自动清除)
$ cd /home/EDA/mentor_setup
$ source all.setup license) $ icstudio (向服务器申请 mentor软件的使用许可
--电子设计自动化。 • 集成度提高，设计的复杂度越来越高。
• 提高设计效率，减少设计周期。
工作平台
•公司、高校：工作站，Unix、Linux操作系统； •高校、个人学习：PC机，Linux操作系统； •极少使用Windows操作系统。 Unix, Linux操作系统： 开放、安全、稳定、可靠、免费使用。
改变当前路径到指定位置
35
文件系统的层次结构
根目录
home user123
usr
bin
dev
var EDA
etc
tmp
mentor_setup nfs.setup mentor_work all.setup proj1 proj2 proj3 $ source nfs.setup 读取并执行指定文件中的命令
41
project
/home/user123/mentor_work
42
43
44
45
EDA 软件公司根据晶圆加工厂提供的设计规则文件，制作 design kit工具包，内有常用元器件的符号、模型参数以及版图。 本课程采用mentor公司自带的0.13um工艺库。
微处理器性能提高了 1000倍！
模拟集成电路进展： ADC速度或精度提高10倍。
为什么数字电路发展更快?
数字电路: 折中考虑速度和功耗；按比例缩小。 模拟电路: 兼顾速度、功耗、精度、线性度、噪声、 匹配...
6பைடு நூலகம்
双极型（三极管）与CMOS技术
• 双极型技术（Bipolar）:
• 低噪声 • 高增益 • 高驱动能力、高频
IC设计流程与常用EDA工具 CMOS集成电路原理图及版图 工艺库文件 CMOS倒相器的原理图绘制与电路仿真 CMOS倒相器的版图绘制与验证
第六章 第七章
寄生参数提取与后仿真 设计实例
12
第一章
IC设计流程与常用EDA工具
13
设计方法
定制 (Custom Design)
人工设计，设计周期长，高性能，高集成度
计算机
3
集成电路的特点： 微型化 高集成度
低成本
功能强大 低功耗
高速
所有元件及连线享用同一基片
损坏后不可维修
4
Intel 公司CPU—Pentium® 4
电路规模：4千2百万个晶体管 生产工艺：0.13um 最快速度：2.4GHz
5
自上世纪90年代以来:
数字集成电路飞速发展：
30
学习路线 • • • • • • • • Linux操作系统入门 集成电路设计中的基本概念 ICstudio 原理图绘制 Eldo，内嵌于ICstudio，spice仿真 ICstudio版图绘制 Calibre DRC，内嵌于ICstudio，验证 Calibre LVS，内嵌于ICstudio，验证 Calibre xRC，内嵌于ICstudio，寄生参数 提取与后仿真
标准单元 (Standard Cell)
预先设计好的标准单元，设计周期短，性能较好 专用电路 (ASIC)
可编程逻辑器件 (FPGA/PLD)
预先生产的芯片，设计周期最短，低研发成本
原形验证(Prototyping)，可重构计算
14
集成电路设计方法的比较
34
文件系统的层次结构
根目录
home user123
usr
bin
dev
var EDA
etc
tmp
mentor_setup nfs.setup mentor_work all.setup proj1 proj2 proj3
$ cd /home/EDA/mentor_setup
$ cd /home/user123
www.hed.com.cn www.zeni-eda.com
九天（Zeni）系统是熊猫（Panda）系统的改进版，
由我国在80年代后期自主开发，面向全定制和半定制大 规模集成电路设计的EDA工具软件。 覆盖了集成电路设计的主要过程，包括： 基于语言的和基于图形的设计输入，各个级别的设计 正确性的模拟验证（ZeniVDE）； 交互式的物理版图设计（ZeniPDT）； 版图正确性验以及CAD数据库 （ZeniVERI）。
24
工作站平台上的主流EDA软件
Cadence EDA软件 数字系统模拟工具Verilog-XL； 电路图设计工具Composer； 电路模拟工具Analog Artist； 射频模拟工具Spectre RF； 版图编辑器Virtuoso Layout；
布局布线工具Preview；
版图验证工具Dracula等
《集成电路设计技术与工具》 王志功，东南大学出版社 《模拟集成电路设计精粹》 Sansen，清华大学出版社 《数字集成电路——设计透视》Jan M.Rabaey，清华大学出版社 《CMOS集成电路版图—概念、方法与工具》 Dan Clein,电子工业出版社
11
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章
21
按照规格要求，选用已用于工 业的成熟模块，略微修改、组 合成满足规格要求的电路。
GDSII文件
数字集成电路设计流程
数字电路设计 Verilog/VHDL进行 行为级功能设计 行为级功能仿真 综合(Synthesis) 门级verilog仿真 与电路图一致性验证 (LVS: Layout vs. Schematic) GDSII文件
tmp
mentor_setup nfs.setup mentor_work all.setup proj1 proj2 proj3 $ pwd 显示当前路径，如“/home/user123”
33
文件系统的层次结构
根目录
home user123
usr
bin
dev
var EDA
etc
tmp
mentor_setup nfs.setup mentor_work all.setup proj1 proj2 proj3 $ ls 列出当前路径下的文件和文件夹
单片成本 开发费用
开发周期 长
全定制 标准单元 可编程逻辑器件
低
高
高
低
短
15
产量不同时成本与设计方法的关系
16
全定制的集成电路设计
运算放大器的设计
17
全定制的集成电路设计
运算放大器版图设计
18
电路设计抽象级别
ENABLE ENABLE
使能电路 上电复位电路
DIN
发送控制电路
输出驱动电路
OUT1 OUT2
22
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
布局布线 (LAYOUT) 物理规则验证 (DRC: Design Rule Check)
本课程采用的设计流程
设计目标 User concept 原理图设计与输入 Schematic 电路仿真 simulation 版图绘制与优化 Layout 设计规则检查 DRC check
原理图与版图一致性比较 LVS check
寄生参数提取 Parasitic parameter
后仿真 simulation 工艺文件 Files from foundry 版图文件输出 Export GDS file
23
集成电路设计EDA工具介绍
• EDA—Electronic Design Automation
集成电路设计
引言：芯片，现代社会的基石
PDA：掌上电脑 内存条
手机 数码相机
主板
计算机
2
Integrated Circuit (IC)
以半导体材料为基片，将至少有一个是有源元件的 两个以上元件和部分或者全部互连线路集成在一个基片 上，以执行某种功能的电子产品。
芯片内部 集成电路 芯片 内存条 主板
• CMOS技术:
• 低功耗 • 高集成度
• 抗噪声
• Bi-CMOS技术:
7
现代IC设计绝大多数采用CMOS工艺
数字电路 数模混合电路 现代模拟电路
8
利益驱动下，IC特征尺寸不断缩小
1960年：25um 1990年：1um 2000年：0.18um 2009年：45nm
1000
特征尺寸（纳米）
25
Synopsys EDA软件 以它的综合工具而称著。 综合平台 DC Ultra 布局布线系统 Apollo-II 三维全芯片参数提取 Star-RCXT
层次化物理验证 Hercules
门级静态时序分析 PrimeTime 高质量的IP库 DesignWare Library 自动测试向量生成 TetraMAX ATPG 。。。。。。。。。
基准源
共模反馈电路
偏置电路
系统级
结构级
晶体管级
器件物理级
19
集成电路设计流程
设计目标 功能与性能指标 划分功能模块，系统级仿真 行为级/寄存器级/门级 /晶体管级电路设计与仿真 布局布线，规则验证 后仿真 寄生参数 芯片 测试
20
系统级设计
前端设计
电路原理图设计
电路版图设计
后端设计
模拟集成电路设计 数字集成电路设计
38
Creating a Project
• Open ICStudio by typing the command icstudio
39
Menu Bar and Icons Area
Libraries Area Cells Area
Views Area
40
To create a project click on File > New > Project from the menu bar
100
10
1
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
9
Beyond 90 nm
90nm工艺
65nm工艺
45nm工艺
30nm工艺
10
先修课程
理论课： 语言：
模拟集成电路设计
数字集成电路设计 半导体工艺技术
Spice
本课程
集成电路设计实践环节
• 从市场占有来看， Cadence 的强项产品为 IC 版 图设计和服务， Synopsys 的强项产品为逻辑 综合, Mentor Graphics的强项产品为PCB设计 和深亚微米IC设计验证和测试等。
• Mentor的网站： www.mentor.com www.mentorg.com.cn
$ cd /home/user123/mentor_work (进入ICstation软件的命令字)
37
project
工程
lib1 group1
lib2
lib3
device
sources generic group2
…
cell1
cell2 view1 view2 view3
View的类型: schematic, symbol, layout, design configuration, spice, verilog, vhdl, …
31
进入linux系统
• 1, 开机,用上下键选择到linux系统栏目,按 enter键进入linux5; • 2, 登录时无须密码,直接按enter;
• 3, 进入系统后,打开桌面的"系统终端"的快 捷方式
32
文件系统的层次结构
根目录
home user123
usr
bin
dev
var EDA
etc
模拟集成电路设计
模拟电路设计
布局布线(Layout) 晶体管级原理图设计 SPICE仿真
CMOS、双极(Bipolar)、Bi-CMOS
物理规则验证 (DRC: Design Rule Check)
与电路图一致性验证 (LVS: Layout vs. Schematic) 寄生参数提取 (PE: Parasitical Extraction) 后仿真
28
Silvaco EDA软件
工艺计算机辅助设计(TCAD);
基于PDK(制造验证工艺设计工具 )的定制IC CAD设计
• 工艺仿真和器件仿真；
• SPICE 模型的生成和开发；
• 互连寄生参数的极其精确的描述；
• 基于物理的可靠性建模以及传统的CAD。
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Mentor Graphics的特色
26
Mentor graphics EDA软件
具有EDA全线产品，包括： 仿真工具Eldo、 ModelSim等 ; 验证工具Calibre 系列； IC设计工具icstudio； FPGA设计系统; IC测试软件FastScan 、DFT、DFM等 ;
PCB设计系统
27
Zeni EDA软件
36
进入集成电路设计界面
$ cd /home/user123
$ ls
(察看当前路径下的文件,可省略)
$ source nfs.setup (从服务器上向本机导入mentor软件副本， 该副本在用户注销/关机后自动清除)
$ cd /home/EDA/mentor_setup
$ source all.setup license) $ icstudio (向服务器申请 mentor软件的使用许可
--电子设计自动化。 • 集成度提高，设计的复杂度越来越高。
• 提高设计效率，减少设计周期。
工作平台
•公司、高校：工作站，Unix、Linux操作系统； •高校、个人学习：PC机，Linux操作系统； •极少使用Windows操作系统。 Unix, Linux操作系统： 开放、安全、稳定、可靠、免费使用。
改变当前路径到指定位置
35
文件系统的层次结构
根目录
home user123
usr
bin
dev
var EDA
etc
tmp
mentor_setup nfs.setup mentor_work all.setup proj1 proj2 proj3 $ source nfs.setup 读取并执行指定文件中的命令
41
project
/home/user123/mentor_work
42
43
44
45
EDA 软件公司根据晶圆加工厂提供的设计规则文件，制作 design kit工具包，内有常用元器件的符号、模型参数以及版图。 本课程采用mentor公司自带的0.13um工艺库。
微处理器性能提高了 1000倍！
模拟集成电路进展： ADC速度或精度提高10倍。
为什么数字电路发展更快?
数字电路: 折中考虑速度和功耗；按比例缩小。 模拟电路: 兼顾速度、功耗、精度、线性度、噪声、 匹配...
6பைடு நூலகம்
双极型（三极管）与CMOS技术
• 双极型技术（Bipolar）:
• 低噪声 • 高增益 • 高驱动能力、高频
IC设计流程与常用EDA工具 CMOS集成电路原理图及版图 工艺库文件 CMOS倒相器的原理图绘制与电路仿真 CMOS倒相器的版图绘制与验证
第六章 第七章
寄生参数提取与后仿真 设计实例
12
第一章
IC设计流程与常用EDA工具
13
设计方法
定制 (Custom Design)
人工设计，设计周期长，高性能，高集成度
计算机
3
集成电路的特点： 微型化 高集成度
低成本
功能强大 低功耗
高速
所有元件及连线享用同一基片
损坏后不可维修
4
Intel 公司CPU—Pentium® 4
电路规模：4千2百万个晶体管 生产工艺：0.13um 最快速度：2.4GHz
5
自上世纪90年代以来:
数字集成电路飞速发展：
30
学习路线 • • • • • • • • Linux操作系统入门 集成电路设计中的基本概念 ICstudio 原理图绘制 Eldo，内嵌于ICstudio，spice仿真 ICstudio版图绘制 Calibre DRC，内嵌于ICstudio，验证 Calibre LVS，内嵌于ICstudio，验证 Calibre xRC，内嵌于ICstudio，寄生参数 提取与后仿真