Войти
Макет простого операционного усилителя CMOS (входы слева и компенсационный конденсатор справа). Металлический слой окрашен в синий цвет, зеленый и коричневый - Si, легированный N и P, поликремний - красный, а переходные отверстия - кресты. Конструкция интегральной схемы или Конструкция ИС - это подмножество электроники, охватывающее конкретные методы логики и проектирования схем, необходимые для проектирования интегральных схем или ИС. ИС состоят из миниатюрных электронных компонентов, встроенных в электрическую сеть на монолитной полупроводниковой подложке с помощью фотолитографии.
Дизайн ИС можно разделить на широкий категории цифровой и аналоговой конструкции ИС. Цифровая ИС предназначена для производства таких компонентов, как микропроцессоры, ПЛИС, памяти (RAM, ROM и flash ) и цифровые ASIC. Цифровой дизайн фокусируется на логической корректности, максимальном увеличении плотности схем и размещении схем так, чтобы тактовые сигналы и сигналы синхронизации направлялись эффективно. Аналоговые ИС также специализируются на разработке силовых ИС и ИС RF. Аналоговая конструкция ИС используется при разработке операционных усилителей, линейных регуляторов, цепей фазовой автоподстройки частоты, генераторов и активных. фильтры. Аналоговый дизайн больше связан с физикой полупроводниковых устройств, такой как усиление, согласование, рассеяние мощности и сопротивление. Точность усиления и фильтрации аналогового сигнала обычно имеет решающее значение, и в результате аналоговые ИС используют активные устройства большей площади, чем цифровые конструкции, и обычно имеют менее плотную схему.
Современные ИС чрезвычайно сложны. Средний чип настольного компьютера, по состоянию на 2015 год, содержит более 1 миллиарда транзисторов. Правила о том, что можно и что нельзя производить, также чрезвычайно сложны. Общие процессы IC 2015 года насчитывают более 500 правил. Кроме того, поскольку сам производственный процесс не является полностью предсказуемым, проектировщики должны учитывать его статистический характер. Сложность современной конструкции ИС, а также давление рынка, направленное на быстрое создание проектов, привели к широкому использованию инструментов автоматизированного проектирования в процессе проектирования ИС. Короче говоря, проектирование ИС с использованием программного обеспечения EDA - это проектирование, тестирование и проверка инструкций, которые ИС должна выполнять. Интегральная схема, которую иногда называют микросхемой или микрочипом, представляет собой полупроводник, из которого изготовлены тысячи миллионов крошечных резисторов, конденсаторов и транзисторов. ИС может функционировать как усилитель, генератор, таймер, счетчик, компьютерная память или микропроцессор.
Проектирование интегральных схем включает создание электронных компонентов, таких как транзисторы, резисторы, конденсаторы и межсоединение этих компонентов на части полупроводника, обычно кремния. Необходим способ изоляции отдельных компонентов, сформированных в подложке, поскольку кремний подложки является проводящим и часто образует активную область отдельных компонентов. Двумя общими методами являются изоляция p-n-перехода и. Следует уделять внимание рассеиваемой мощности транзисторов и сопротивлениям межсоединений, а также плотности тока межсоединений, контактов и переходных отверстий, поскольку ИС содержат очень крошечные устройства по сравнению с дискретными компонентами, где такие проблемы менее серьезны. Электромиграция в металлических межсоединениях и ESD повреждение крошечных компонентов также вызывают беспокойство. Наконец, физическая компоновка определенных субблоков схемы обычно имеет решающее значение для достижения желаемой скорости работы, для отделения шумных частей ИС от тихих частей, для уравновешивания эффектов тепловыделения на ИС или для облегчения размещение подключений к схемам за пределами ИС.
Основные этапы процесса проектирования ИС Типичный цикл проектирования ИС включает несколько этапов:
Грубо говоря, дизайн цифровой ИС можно разделить на три части.
Обратите внимание, что второй шаг, проектирование RTL, отвечает за правильность работы микросхемы. Третий шаг, физический дизайн, вообще не влияет на функциональность (если все сделано правильно), но определяет, насколько быстро работает чип и сколько он стоит.
Процесс разработки интегральной схемы (ИС) начинается с определения требований к продукту, продолжается через определение архитектуры, реализацию, ввод в эксплуатацию и, наконец, производство. Ниже описаны различные этапы процесса разработки интегральной схемы. Хотя этапы представлены здесь просто, в действительности существует итерация, и эти шаги могут повторяться несколько раз.
Прежде чем можно будет определить архитектуру, необходимо определить некоторые цели продукта высокого уровня. Требования обычно создаются межфункциональной командой, которая занимается рыночными возможностями, потребностями клиентов, осуществимостью и многим другим. Результатом этого этапа должен стать документ с требованиями к продукту.
Архитектура определяет фундаментальную структуру, цели и принципы продукта. Он определяет концепции высокого уровня и внутреннюю ценность продукта. Команды по архитектуре принимают во внимание множество переменных и взаимодействуют со многими группами. Люди, создающие архитектуру, обычно имеют значительный опыт работы с системами в той области, для которой создается архитектура. Продуктом этапа архитектуры является архитектурная спецификация.
Микроархитектура - это шаг ближе к аппаратному обеспечению. Он реализует архитектуру и определяет конкретные механизмы и структуры для достижения этой реализации. Результатом этапа микроархитектуры является спецификация микроархитектуры, в которой описаны методы, используемые для реализации архитектуры.
На этапе реализации сам проект создается с использованием спецификации микроархитектуры в качестве отправной точки. Это включает в себя определение низкого уровня и разбиение на разделы, запись кода , ввод схемы и проверку. Эта фаза заканчивается дизайном достижением tapeout.
После того, как проект создан, приклеен и изготовлен, получается реальное аппаратное обеспечение, «первый кремний», который попадает в лабораторию, где проходит воспитание. Воспроизведение - это процесс включения, тестирования и описания дизайна в лаборатории. Многочисленные тесты выполняются, начиная с очень простых тестов, таких как проверка включения устройства, до гораздо более сложных тестов, которые пытаются нагружать деталь различными способами. Результатом фазы запуска является документирование (насколько хорошо деталь работает в соответствии со спецификацией) и ошибок (неожиданное поведение).
Производство - это задача перехода от проектирования к массовому производству. Несмотря на то, что дизайн мог успешно соответствовать спецификациям продукта в лаборатории на этапе внедрения, инженеры по продукту сталкиваются с множеством проблем, пытаясь серийно производить эти проекты. IC необходимо наращивать до объемов производства с приемлемым выходом. Целью этапа производства является выход на массовое производство по приемлемой цене.
После того, как дизайн созрел и достиг массового производства, его необходимо поддерживать. Необходимо постоянно контролировать процесс и быстро решать проблемы, чтобы избежать значительного влияния на объемы производства. Целью поддержки является поддержание объемов производства и постоянное снижение затрат до тех пор, пока продукт не достигнет конца срока службы.
Первоначальная конструкция микросхемы Процесс начинается с проектирования на уровне системы и планирования микроархитектуры. В компаниях, занимающихся проектированием микросхем, руководство и часто аналитики разрабатывают предложение для группы разработчиков, чтобы начать разработку нового чипа, который впишется в отраслевой сегмент. На этом этапе встречаются разработчики верхнего уровня, чтобы решить, как чип будет работать функционально. На этом этапе определяется функциональность и дизайн ИС. Разработчики интегральных схем составят схему функциональных требований, средств проверки и методологий тестирования для всего проекта, а затем превратят предварительный проект в спецификацию системного уровня, которую можно моделировать с помощью простых моделей с использованием таких языков, как C ++ и MATLAB, а также инструментов эмуляции. Для чистых и новых проектов на стадии проектирования системы планируется набор команд и работа, а в большинстве микросхем существующие наборы команд модифицируются для более новой функциональности. Дизайн на этом этапе часто состоит из таких операторов, как кодирование в формате MP3 или реализация арифметики с плавающей запятой IEEE. На более поздних этапах процесса проектирования каждое из этих невинно выглядящих утверждений расширяется до сотен страниц текстовой документации.
После согласования проекта системы разработчики RTL реализуют функциональные модели на языке описания оборудования, например Verilog, SystemVerilog, или VHDL. Используя компоненты цифрового дизайна, такие как сумматоры, устройства сдвига и конечные автоматы, а также концепции компьютерной архитектуры, такие как конвейерная обработка, суперскалярное выполнение и прогнозирование ветвлений, разработчики RTL разбивают функциональное описание на аппаратные модели компонентов, работающих на микросхеме. все вместе. Каждый из простых операторов, описанных в проекте системы, может легко превратиться в тысячи строк кода RTL, поэтому чрезвычайно сложно проверить, что RTL будет делать правильные вещи во всех возможных случаях, когда пользователь может бросить на это.
Чтобы уменьшить количество функциональных ошибок, отдельная группа проверки оборудования возьмет RTL и спроектирует испытательные стенды и системы, чтобы проверить, действительно ли RTL выполняет одни и те же шаги во многих различных условиях, классифицируемых как область функциональная проверка. Используется много методов, ни один из них не идеален, но все они полезны - обширное логическое моделирование, формальные методы, аппаратная эмуляция, lint -как проверка кода, покрытие кода и так далее.
Небольшая ошибка может сделать весь чип бесполезным или даже хуже. Знаменитая ошибка Pentium FDIV приводила к тому, что результаты деления были неверными максимум на 61 часть на миллион, в случаях, которые возникали очень редко. Никто этого даже не заметил, пока чип не был в производстве несколько месяцев. Однако Intel была вынуждена предложить бесплатную замену каждого проданного чипа до тех пор, пока они не исправят ошибку, за 475 миллионов долларов (США).
Физическая. этапы проектирования в потоке цифрового проектирования RTL - это только поведенческая модель фактической функциональности того, в чем должен работать чип. Он не имеет никакого отношения к физическому аспекту того, как чип будет работать в реальной жизни, с точки зрения материалов, физики и электротехники. По этой причине следующим шагом в процессе проектирования ИС, этап физического проектирования, является отображение RTL в фактических геометрических представлениях всех электронных устройств, таких как конденсаторы, резисторы, логические вентили и транзисторы, которые будут перейти на чип.
Основные этапы физического проектирования перечислены ниже. На практике нет простого прогресса - требуется значительная итерация, чтобы обеспечить одновременное достижение всех целей. Это сложная проблема сама по себе, называемая закрытием проекта.
До появления микропроцессоров и инструментов проектирования на основе программного обеспечения, аналоговые ИС были разработаны с использованием ручные расчеты и технологические комплекты деталей. Эти ИС представляли собой схемы низкой сложности, например, операционные усилители, обычно включающие не более десяти транзисторов и несколько соединений. Итеративный процесс проб и ошибок и «чрезмерная разработка» размеров устройства часто были необходимы для создания производимой ИС. Повторное использование проверенных конструкций позволило построить все более сложные ИС на основе предварительных знаний. Когда в 1970-х годах стала доступна недорогая компьютерная обработка, компьютерные программы были написаны для моделирования схем с большей точностью, чем практические вычисления вручную. Первый имитатор схем для аналоговых ИС назывался SPICE (Программа моделирования с акцентом на интегральные схемы). Компьютеризированные инструменты моделирования схем делают проектирование ИС более сложным, чем ручные вычисления, что делает конструкцию аналоговых ASIC практичной.
Поскольку при проектировании аналоговых устройств необходимо учитывать множество функциональных ограничений, ручное проектирование до сих пор широко распространено. В результате современные потоки проектирования аналоговых схем характеризуются двумя разными стилями проектирования - нисходящим и восходящим. В нисходящем стиле дизайна используются инструменты на основе оптимизации, аналогичные традиционным цифровым потокам. В процедурах «снизу вверх» повторно используются «экспертные знания» с результатами ранее разработанных решений и отраженных в процедурном описании, имитируя решение эксперта. Примером являются генераторы ячеек, такие как PCells.
Проблема, наиболее важная для проектирования аналоговых ИС, связана с изменчивостью отдельных устройств, построенных на полупроводниковом кристалле. В отличие от схемотехники на уровне платы, которая позволяет разработчику выбирать устройства, каждое из которых было протестировано и разделено на группы в соответствии с их значением, значения устройств на ИС могут широко варьироваться, что не поддается контролю разработчиком. Например, некоторые резисторы IC могут отличаться на ± 20%, а β интегрированного BJT может варьироваться от 20 до 100. В последних процессах КМОП β вертикальных PNP-транзисторов может даже опускаться ниже 1. Чтобы добавить к Что касается дизайна, свойства устройства часто меняются в зависимости от обрабатываемой полупроводниковой пластины. Свойства устройства могут даже значительно различаться для каждой отдельной ИС из-за допирования градиентов. Основная причина этой изменчивости заключается в том, что многие полупроводниковые устройства очень чувствительны к неконтролируемым случайным изменениям в процессе. Незначительные изменения времени диффузии, неравномерные уровни легирования и т. Д. Могут иметь большое влияние на свойства устройства.
Некоторые методы проектирования, используемые для уменьшения влияния изменения устройства:
Три крупнейших компании Продажа автоматизации проектирования электроники инструменты: Synopsys, Cadence и Mentor Graphics.
Портал электроники 