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芯片设计

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芯片,指的是内含集成电路的硅片,一个2厘米见方的芯片却能包含千万个晶体管。一颗芯片的诞生,可以分为设计与制造两个环节。其中,芯片设计位于半导体产业的最上游,是半导体产业最核心的基础,拥有极高的技术壁垒,芯片设计公司在芯片设计流程中需要投入大量的人力、物力,需要较长时间的技术积累和经验沉淀。


我国芯片设计现况


目前我国芯片设计业的产品范围已经涵盖了几乎所有门类,且部分产品已拥有了一定的市场规模,但我国芯片产品总体上仍然处于中低端。国内企业在 CPU 等关键领域与国外企业仍有较大的技术差距,短时间内实现赶超具有很大难度,还无法与国外产品展开竞争。但从近几年的产业发展来看,技术差距正在逐步缩小。同时,在国家大力倡导发展半导体的背景下,逐步实现芯片国产化可期。


芯片设计制造


芯片设计过程


1.电路设计


依据电路功能完成电路的设计。


2.前仿真


电路功能的仿真,包括功耗,电流,电压,温度,压摆幅,输入输出特性等参数的仿真。


3.版图设计(Layout)


依据所设计的电路画版图。一般使用Cadence软件。


4.后仿真


对所画的版图进行仿真,并与前仿真比较,若达不到要求需修改或重新设计版图。


5.后续处理


将版图文件生成GDSII文件交予Foundry流片。


芯片设计流程


芯片设计流程


集成电路设计的流程一般先要进行软硬件划分,将设计基本分为两部分:芯片硬件设计软件协同设计。芯片硬件设计包括:


1.功能设计阶段。


芯片设计人员产品的应用场合,设定一些诸如功能、操作速度、接口规格、环境温度及消耗功率等规格,以做为将来电路设计时的依据。更可进一步规划软件模块及硬件模块该如何划分,哪些功能该整合于SOC 内,哪些功能可以设计在电路板上。


2.设计描述和行为级验证


功能设计完成后,可以依据功能将SOC 划分为若干功能模块,并决定实现这些功能将要使用的IP 核。此阶段间接影响了SOC 内部的架构及各模块间互动的讯号,及未来产品的可靠性。


决定模块之后,可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述语言实现各模块的设计。接着,利用VHDL 或Verilog 的电路仿真器,对设计进行功能验证(functionsimulation,或行为验证 behavioral simulation)。


注意,这种功能仿真没有考虑电路实际的延迟,也无法获得精确的结果。


3.逻辑综合


确定设计描述正确后,可以使用逻辑综合工具(synthesizer)进行综合。综合过程中,需要选择适当的逻辑器件库(logic cell library),作为合成逻辑电路时的参考依据。硬件语言设计描述文件的编写风格是决定综合工具执行效率的一个重要因素。事实上,综合工具支持的HDL 语法均是有限的,一些过于抽象的语法只适于作为系统评估时的仿真模型,而不能被综合工具接受。


逻辑综合得到门级网表。


4.门级验证(Gate-Level Netlist Verification)


门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综合后的电路是否符合功能需求,该工作一般利用门电路级验证工具完成。


注意,此阶段仿真需要考虑门电路的延迟。


5.布局和布线


布局指将设计好的功能模块合理地安排在芯片上,规划好它们的位置。布线则指完成各模块之间互连的连线。注意,各模块之间的连线通常比较长,因此,产生的延迟会严重影响SOC的性能,尤其在0.25 微米制程以上,这种现象更为显著。 目前,这一个行业仍然是中国的空缺,开设集成电路设计与集成系统专业的大学还比较少,其中师资较好的学校有 上海交通大学,哈尔滨工业大学,哈尔滨理工大学,东南大学,西安电子科技大学,电子科技大学,复旦大学,华东师范大学等。这个领域已经逐渐饱和,越来越有趋势走上当年软件行业的道路。


芯片技术

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