Integriertes Schaltungsdesign

Layoutansicht eines einfachen CMOS -operativen Verstärkers (Eingänge sind links und der Kompensationskondensator befindet sich rechts). Die Metallschicht ist blau, grün und braun sind n- und p-dotiert si, das Polysilizium ist rot und Vias sind Kreuze.
Ingenieur mit einer frühen IC-Designing Workstation zur Analyse eines Abschnitts eines Schaltungsdesigns analysiert Rubylith, circa 1979

Integriertes Schaltungsdesign, oder IC -Design, ist ein Unterfeld von Elektrotechnik, um das bestimmte zu umfassen Logik und Schaltungsdesign Techniken, die zum Entwerfen erforderlich sind integrierte Schaltkreise, oder ICs. ICs bestehen aus miniaturisierten elektronische Bauteile in ein eingebaut elektrisches Netzwerk auf einem monolithischen Halbleiter Substrat von Photolithographie.

IC -Design kann in die breiten Kategorien von unterteilt werden Digital und Analog IC -Design. Digital IC -Design besteht darin, Komponenten wie z. Mikroprozessoren, Fpgas, Erinnerungen (RAM, Rom, und Blitz) und digital Asics. Das digitale Design konzentriert sich auf die logische Korrektheit, die Maximierung der Schaltungsdichte und das Platzieren von Schaltkreisen, damit die Uhr- und Timing -Signale effizient weitergeleitet werden. Das analoge IC -Design hat auch Spezialisierungen im Power -IC -Design und Rf IC -Design. Analoges IC -Design wird im Design von verwendet Op-Ampere, lineare Regulierungsbehörden, Phase gesperrte Schleifen, Oszillatoren und aktive Filter. Das analoge Design befasst sich mehr mit der Physik der Halbleitergeräte wie Gewinn, Übereinstimmung, Leistungsabteilung und Widerstand. Die Treue der analogen Signalverstärkung und -filterung ist normalerweise kritisch. Infolgedessen verwenden analoge ICs größere Bereiche aktive Geräte als digitale Konstruktionen und sind in der Regel in Schaltkreisen weniger dicht.

Moderne ICs sind enorm kompliziert. Ein durchschnittlicher Desktop -Computerchip hat ab 2015 über 1 Milliarde Transistoren. Das Regeln Für das sind auch extrem komplex. Gemeinsame IC -Prozesse von 2015 haben mehr als 500 Regeln. Da der Herstellungsprozess selbst nicht vollständig vorhersehbar ist, müssen Designer seine berücksichtigen statistisch Natur. Die Komplexität des modernen IC -Designs sowie der Marktdruck, um schnell Konstruktionen zu produzieren, hat zur umfassenden Verwendung von geführt automatisierte Designwerkzeuge im IC -Entwurfsprozess. Kurz gesagt, das Design eines IC verwendet EDA -Software ist das Design, die Test und die Überprüfung der Anweisungen, die der IC durchführen soll.

Grundlagen

Integriertes Schaltungsdesign beinhaltet die Erstellung elektronischer Komponenten wie z. Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und die Zusammenschaltung dieser Komponenten auf ein Stück Halbleiter, typischerweise Silizium. Eine Methode zur Isolierung der einzelnen Komponenten, die in der gebildeten Substrat ist notwendig, da das Substrat -Silizium leitfähig ist und häufig einen aktiven Bereich der einzelnen Komponenten bildet. Die beiden gemeinsamen Methoden sind P-N-Junction-Isolation und dielektrische Isolation. Der Stromversorgung von Transistoren und Verbindungswiderständen und Stromdichte der Verbindungsdichte muss die Aufmerksamkeit geschenkt werden. Kontakte und Vias Da ICs im Vergleich zu diskreten Komponenten sehr winzige Geräte enthalten, sind solche Bedenken weniger ein Problem. Elektromigration in metallischer Verbindung und ESD Schäden an den winzigen Komponenten sind ebenfalls von Sorge. Schließlich ist das physikalische Layout bestimmter Schaltkreis -Unterblocks in der Regel kritisch, um die gewünschte Betriebsgeschwindigkeit zu erreichen, um laute Teile eines IC von stillen Teilen zu trennen, die Auswirkungen der Wärmeerzeugung über den IC auszugleichen oder die zu erleichtern Platzierung Anschlüsse zu Schaltkreisen außerhalb des IC.

Design-Flow

Hauptschritte im IC -Designfluss

Ein typischer IC -Entwurfszyklus umfasst mehrere Schritte:

  1. System Spezifikation
    1. Machbarkeitsstudie und Größenschätzung
    2. Funktionsanalyse
  2. Architektur- oder Systemebene Design
  3. Logikdesign
    1. Analoges Design, Simulation und Layout
    2. Digitales Design und Simulation
    3. Systemsimulation & Überprüfung
  4. Schaltungsdesign
    1. Digitale Designsynthese
    2. Design für Test und Automatische Testmustererzeugung
    3. Design für die Herstellbarkeit (IC)
  5. Physisches Design
    1. Bodenplanung
    2. Platz und Route
    3. Parasitäre Extraktion
  6. Physische Überprüfung & Ausloggen
    1. Statisches Timing
    2. Co-Simulation und Timing
  7. Datenvorbereitung maskieren (Layout nach der Verarbeitung)
    1. Chip fertig mit Klebeband
    2. Ablehnung
    3. Layout-zu-Masken-Vorbereitung
  8. Waferherstellung
  9. Verpackung
  10. Sterben
    1. Post -Silizium -Validierung und Integration
    2. Gerätecharakterisierung
    3. Optimieren (falls erforderlich)
  11. Chip -Bereitstellung
    1. Datenblattgenerierung (von normalerweise a Tragbares Dokumentformat (PDF Datei)
    2. Aufstocken
    3. Produktion
    4. Ertragsanalyse / Garantieanalyse Zuverlässigkeit (Halbleiter)
    5. Fehleranalyse Bei allen Rückgaben
    6. Planen Sie für Chips der nächsten Generation, wenn möglich Produktionsinformationen

Zusammenfassung

Groauheiten, digitales IC -Design kann in drei Teile unterteilt werden.

  • Elektronischer Systemebene Design: Dieser Schritt erstellt die Funktionsfunktionsspezifikation der Benutzer. Der Benutzer kann eine Vielzahl von Sprachen und Tools verwenden, um diese Beschreibung zu erstellen. Beispiele sind a C/C ++ Modell, VHDL, Systemc, Systemverilog Transaktionsebene Modelle, Simulink und Matlab.
  • RTL -Design: Dieser Schritt wandelt die Benutzerspezifikation (was der Benutzer möchte, dass der Chip erlegt) in a Übertragungsstufe Register (RTL) Beschreibung. Das RTL beschreibt das genaue Verhalten der digitalen Schaltkreise auf dem Chip sowie die Verbindungen zu Eingängen und Ausgängen.
  • Physikalischer Schaltungsdesign: Dieser Schritt enthält die RTL und eine Bibliothek mit verfügbaren Logiktoren (Standardzelle Bibliothek) und erstellt ein Chip -Design. Dieser Schritt beinhaltet die Verwendung von IC -Layout -Editor, Layout und Bodenplanung, herausfinden, welche Tore zu verwenden sind, Orte für sie definieren und die Verkabelung (Timing -Synthese, Routing) zusammen.

Beachten Sie, dass der zweite Schritt, das RTL -Design, für den Chip verantwortlich ist, der das Richtige tut. Der dritte Schritt, das physische Design, wirkt sich nicht auf die Funktionalität aus (falls richtig gemacht), sondern bestimmt, wie schnell der Chip funktioniert und wie viel er kostet.

Lebenszyklus

Das Integrierter Schaltkreis (IC) Der Entwicklungsprozess beginnt mit der Definition der Produktanforderungen, führt durch architektonische Definition, Implementierung, Bringup und schließlich Produktion. Die verschiedenen Phasen des integrierten Schaltungsentwicklungsprozesses werden nachstehend beschrieben. Obwohl die Phasen hier auf einfache Weise präsentiert werden, gibt es in Wirklichkeit in Wirklichkeit Wiederholung und diese Schritte können mehrmals auftreten.

Anforderungen

Vor an die Architektur Kann definiert werden, dass einige Produktziele auf hohem Niveau definiert werden müssen. Das Bedarf werden in der Regel von einem Kreuzfunktionsteam erzeugt, das sich angibt Marktchance, Kundenbedürfnisse, Machbarkeit und vieles mehr. Diese Phase sollte zu a führen Produktanforderungen Dokument.

Die Architektur

Das die Architektur Definiert die grundlegende Struktur, Ziele und Prinzipien des Produkts. Es definiert Konzepte auf hoher Ebene und das intrinsische Wert des Produkts. Architekturteams berücksichtigen viele Variablen und Schnittstellen mit vielen Gruppen. Menschen, die die Architektur erstellen, haben im Allgemeinen viel Erfahrung mit Systemen in dem Bereich, für den die Architektur geschaffen wird. Das Arbeitsprodukt der Architekturphase ist ein Architektur Spezifikation.

Mikroarchitektur

Die Mikroarchitektur ist ein Schritt näher an der Hardware. Es implementiert die Architektur und definiert spezifische Mechanismen und Strukturen für die Erreichung dieser Implementierung. Das Ergebnis der Mikroarchitekturphase ist eine Mikroarchitekturspezifikation, die die Methoden zur Implementierung der Architektur beschreibt.

Implementierung

In der Implementierungsphase wird das Design selbst unter Verwendung der mikroarchitekturalen Spezifikation als Ausgangspunkt erstellt. Dies beinhaltet ein niedriges Niveau Definition und Partitionierung, Schreiben CodeSchematik und Überprüfung. Diese Phase endet mit a Entwurf greifen Tapeout.

Zur Sprache bringen

Nachdem ein Design erstellt wurde, aufgezeichnet und hergestellt wurde, wird die tatsächliche Hardware "First Silicon" empfangen, die in das Labor aufgenommen wird, wo es durchläuft zur Sprache bringen. Bringup ist der Prozess des Stromverfahrens, Testens und Charakters des Designs im Labor. Zahlreich Tests werden aus sehr einfachen Tests durchgeführt, z. B. um sicherzustellen, dass das Gerät viel kompliziertere Tests einbringt, die versuchen, den Teil auf verschiedene Weise zu belasten. Das Ergebnis der Bringup -Phase ist die Dokumentation von Charakterisierungsdaten (wie gut der Teil der Spezifikation) und Errata (unerwartetes Verhalten).

Produktisierung

Die Produktisierung ist die Aufgabe, ein Design aus dem Ingenieurwesen in die Herstellung von Massenproduktion zu bringen. Obwohl ein Design die Spezifikationen des Produkts im Labor während der Bringup-Phase erfolgreich erfüllt hat, stehen die Produktingenieure beim Versuch, diese Entwürfe zu produzieren, viele Herausforderungen, denen sich die Produktingenieure gegenübersehen. Das IC Muss mit einer akzeptablen Ausbeute auf Produktionsvolumina gestoßen werden. Ziel der Produktisation ist es, das Massenproduktionsvolumina zu akzeptablen Kosten zu erreichen.

Nachhaltigkeit

Sobald ein Design ausgereift ist und die Massenproduktion erreicht hat, muss es aufrechterhalten werden. Der Prozess muss kontinuierlich überwacht und Probleme schnell behandelt werden, um einen erheblichen Einfluss auf das Produktionsvolumen zu vermeiden. Das Ziel der Aufrechterhaltung ist es, das Produktionsvolumen aufrechtzuerhalten und die Kosten kontinuierlich zu senken, bis das Produkt erreicht ist Lebensende.

Designprozess

Mikroarchitektur- und Systemebene Design

Der anfängliche Chip-Design-Prozess beginnt mit dem Design und der Planung von Microarchitecture-Planung auf Systemebene. Innerhalb von IC -Designunternehmen werden Management und häufig Analytics einen Vorschlag für ein Designteam entwerfen, um das Design eines neuen Chips für ein Branchensegment zu beginnen. Designer der oberen Ebene treffen sich in dieser Phase, um zu entscheiden, wie der Chip funktional funktioniert. In diesem Schritt werden die Funktionen und das Design eines IC entschieden. IC-Designer werden die funktionalen Anforderungen, Verifizierungstestbengen und Testmethoden für das gesamte Projekt ermitteln und dann das vorläufige Design in eine Spezifikation auf Systemebene verwandeln, die mit einfachen Modellen mit Sprachen wie C ++ und Matlab- und Emulationstools simuliert werden kann. Für reine und neue Designs ist die Systemdesignstufe dort, wo eine Befehlssatz Der Betrieb ist geplant, und in den meisten Chips werden vorhandene Anweisungssätze für neuere Funktionen geändert. Design in dieser Phase ist oft Aussagen wie codiert in der MP3 Format oder Geräte IEEE Floating-Punkt-Arithmetik. In späteren Phasen des Designprozesses erweitert sich jede dieser unschuldig aussehenden Aussagen auf Hunderte von Seiten der Textdokumentation.

RTL -Design

Bei Einigung eines Systemdesigns implementieren RTL -Designer die Funktionsmodelle in einer Hardware -Beschreibung Sprache wie Verilog, Systemverilog, oder VHDL. Verwenden digitaler Designkomponenten wie Addierern, Schalthebel und Staatsmaschinen sowie Computerarchitekturkonzepte wie Pipelining, Supercalar -Ausführung und Zweigvorhersage, RTL -Designer werden eine funktionale Beschreibung in Hardwaremodelle von Komponenten auf dem zusammenarbeitenden Chip unterteilen. Jede der im Systemdesign beschriebenen einfachen Aussagen kann leicht in Tausende von Linien von werden RTL Code, deshalb ist es äußerst schwierig zu überprüfen, ob das RTL in all den möglichen Fällen das Richtige tut, die der Benutzer darauf werfen kann.

Um die Anzahl der Funktionalitätsfehler zu reduzieren, nimmt eine separate Hardware -Überprüfungsgruppe die RTL- und Design -Testbenchen und -systeme ein, um zu überprüfen Funktionale Überprüfung. Viele Techniken werden angewendet, keine perfekt, aber alle nützlich - umfangreich Logiksimulation, Formale Methoden, Hardwareemulation, Fussel-ähnliche Codeprüfung, Codeabdeckung, usw.

Ein winziger Fehler hier kann den gesamten Chip nutzlos oder schlechter machen. Die Berühmten Pentium -FDIV -Fehler Die Ergebnisse einer Abteilung stellten sich durch höchstens 61 Teile pro Million zu, in Fällen, die sehr selten auftraten. Niemand bemerkte es einmal, bis der Chip seit Monaten in Produktion war. Noch Intel war gezwungen zu ersetzen, kostenlos jeden Chip zu ersetzen, bis er den Fehler zu einem Preis von 475 Millionen US -Dollar (USA) reparieren konnte.

Physisches Design

Physikalische Designschritte innerhalb des digitalen Designflusses

RTL ist nur ein Verhaltensmodell der tatsächlichen Funktionalität dessen, unter dem der Chip arbeiten soll. Es hat keine Verbindung zu einem physischen Aspekt, wie der Chip im wirklichen Leben auf den Materialien, Physik und Elektrotechnik im wirklichen Leben wirken würde. Aus diesem Grund der nächste Schritt im IC -Designprozess, physisches Design Bühne soll das RTL in tatsächliche geometrische Darstellungen aller Elektronikgeräte wie Kondensatoren, Widerstände, Logiktore und Transistoren, die auf den Chip gehen, abbilden.

Die Hauptschritte des physischen Designs sind unten aufgeführt. In der Praxis gibt es keinen einfachen Fortschreiten - eine beträchtliche Iteration ist erforderlich, um sicherzustellen, dass alle Ziele gleichzeitig erfüllt werden. Dies ist ein schwieriges Problem für sich Entwurfsschließung.

Analoges Design

Vor dem Aufkommen des Mikroprozessors und der Software -basierten Design -Tools wurden analoge ICs unter Verwendung von Handberechnungen und Process -Kit -Teilen entworfen. Diese ICs waren zum Beispiel niedrige Komplexitätsschaltungen Op-Ampere, normalerweise mit nicht mehr als zehn Transistoren und wenigen Verbindungen. Ein iterativer Versuchs- und Errorprozess und "Übergineering" der Gerätegröße war häufig erforderlich, um einen herstellbaren IC zu erreichen. Die Wiederverwendung von bewährten Designs ermöglichte es, zunehmend kompliziertere ICs auf Vorkenntnissen aufzubauen. Als in den 1970er Jahren eine kostengünstige Computerverarbeitung verfügbar wurde, wurden Computerprogramme geschrieben, um Schaltungsdesigns mit größerer Genauigkeit als praktisch durch Handberechnung zu simulieren. Der erste Schaltungssimulator für analoge ICs wurde genannt WÜRZEN (Simulationsprogramm mit integrierter Schaltkreise im Schwerpunkt). Computerisierte Schaltungsssimulationstools ermöglichen eine größere Komplexität des IC -Designs als Handberechnungen, was das Design von Analog gestellt hat Asics praktisch.

Da viele funktionale Einschränkungen im analogen Design berücksichtigt werden müssen, ist das manuelle Design heute noch weit verbreitet. Infolgedessen sind moderne Designströme für analoge Schaltungen durch zwei verschiedene Designstile gekennzeichnet-oben nach unten und unten.[2] Der Top-Down-Designstil verwendet optimierungsbasierte Tools, die den herkömmlichen digitalen Strömen ähneln. Bottom-up-Verfahren verwenden „Expertenwissen“ mit dem Ergebnis von Lösungen, die zuvor in einer verfahrenstechnischen Beschreibung konzipiert und erfasst wurden, was die Entscheidung eines Experten imitiert.[2] Ein Beispiel sind Zellgeneratoren, wie z. Pcells.

Bewältigung mit Variabilität

Eine Herausforderung für das analoge IC -Design beinhaltet die Variabilität der einzelnen Geräte, die auf dem Halbleiterchip basieren. Im Gegensatz zum Schaltungskonstruktion auf Brettebene, der dem Designer es ermöglicht, Geräte auszuwählen, die jeweils gemäß Wert getestet und abgefeuert wurden, können die Gerätewerte auf einem IC stark variieren, die vom Designer unkontrollierbar sind. Zum Beispiel können einige IC -Widerstände ± 20% und β von einem integrierten variieren BJT Kann von 20 bis 100 variieren. In den neuesten CMOS -Prozessen kann β von vertikalen PNP -Transistoren sogar unter 1 gehen. Um die Designherausforderung zu erweitern, variieren die Geräteeigenschaften häufig zwischen jedem verarbeiteten Halbleiterwafer. Geräteeigenschaften können aufgrund von Doping sogar erheblich variieren Gradienten. Die zugrunde liegende Ursache dieser Variabilität ist, dass viele Halbleitergeräte im Prozess sehr empfindlich gegenüber unkontrollierbaren Zufallsvarianzen reagieren. Leichte Änderungen an der Diffusionszeit, ungleichmäßigen Dotierungsniveaus usw. können große Auswirkungen auf die Geräteeigenschaften haben.

Einige Konstruktionstechniken, die zur Verringerung der Auswirkungen der Gerätevariation verwendet werden, sind:[3]

  • Verwenden der Verhältnisse von Widerständen, die eng und eher einen absoluten Widerstandswert übereinstimmen.
  • Verwenden von Geräten mit übereinstimmenden geometrischen Formen, damit sie übereinstimmende Variationen entspricht.
  • Geräte groß machen, so dass statistische Variationen zu einem unbedeutenden Anteil der Gesamtgeschwindigkeitseigenschaft werden.
  • Segmentierung großer Geräte wie Widerstände in Teile und verwoben sie, um Variationen abzubrechen.
  • Verwenden des gemeinsamen Centroid -Gerätelayouts, um Variationen in Geräten abzubrechen, die genau übereinstimmen (z. OP -Verstärker).

Anbieter

Die drei größten Unternehmen, die verkauft werden elektronische Designautomatisierung Werkzeuge sind Synops, Kadenz, und Mentorgrafik.[4]

Siehe auch

Verweise

  1. ^ J. Lienig, J. Scheible (2020). "Kap. 3.3: Daten maskieren: Layout nach der Verarbeitung". Grundlagen des Layoutdesigns für elektronische Schaltkreise. Springer. S. 102–110. doi:10.1007/978-3-030-39284-0. ISBN 978-3-030-39284-0. S2CID 215840278.
  2. ^ a b J. Lienig, J. Scheible (2020). "Kap. 4.6: Analoge und digitale Designströme". Grundlagen des Layoutdesigns für elektronische Schaltkreise. Springer. S. 151–159. doi:10.1007/978-3-030-39284-0. ISBN 978-3-030-39284-0. S2CID 215840278.
  3. ^ Basu, Joydeep (2019-10-09). "Vom Design bis zum Klebeband in SCL 180 nm CMOs Integrated Circuit Fabrication Technology". Iete Journal of Education. 60 (2): 51–64. Arxiv:1908.10674. doi:10.1080/09747338.2019.1657787. S2CID 201657819.
  4. ^ "Entwicklungen von Multi-Cad-Modellen" (PDF). IC CAD -Markttrends 2015. 2015-07-11.

Weitere Lektüre

  • Elektronische Designautomatisierung für integrierte Schaltkreise Handbuch, von Lavagno, Martin und Scheffer, ISBN0-8493-3096-3 Eine Übersicht über den Bereich von elektronische Designautomatisierung, einer der Hauptdarsteller des modernen IC -Designs.