微电子学概论Chap05课件.ppt
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- 微电子学概论 Chap05课件 微电子学 概论 Chap05 课件
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1、集成电路设计集成电路设计北京大学北京大学集成电路设计与制造的主要流程框架集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制造芯片制造过程过程封装封装测试测试系统需求系统需求 集成电路的集成电路的设计过程设计过程:设计创意设计创意 +仿真验证仿真验证集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授吉利久教授是是功能要求功能要求行为设计(行为设计(VHDL)行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off设计业设计业引引 言言 半导体器件物理半
2、导体器件物理基础基础:包括:包括PN结的物理机制、双极管、结的物理机制、双极管、MOS管的工作原理等管的工作原理等 器件器件 小规模电路小规模电路 大规模电路大规模电路 超大规模电路超大规模电路 甚大规模电路甚大规模电路 电路的制备电路的制备工艺工艺:光刻、刻蚀、氧化、离子注入、扩散、:光刻、刻蚀、氧化、离子注入、扩散、化学气相淀积、金属蒸发或溅射、封装等工序化学气相淀积、金属蒸发或溅射、封装等工序 集成电路设计:另一重要环节,最能反映人的能动性集成电路设计:另一重要环节,最能反映人的能动性 结合具体的电路,具体的系统,设计出各种各样的电路结合具体的电路,具体的系统,设计出各种各样的电路掌握正
3、确的设计方法掌握正确的设计方法,可以以不变应万变,可以以不变应万变,随着电路规模的增大,随着电路规模的增大,计算机辅助设计手段计算机辅助设计手段在集成电路设计中起着越来越重要的作用在集成电路设计中起着越来越重要的作用引引 言言 什么是集成电路?什么是集成电路?(相对分立器件组成的电路而言相对分立器件组成的电路而言)把组成电路的元件、器件以及相互间的连线放在把组成电路的元件、器件以及相互间的连线放在单个芯片上,整个电路就在这个芯片上,把这个单个芯片上,整个电路就在这个芯片上,把这个芯片放到管壳中进行封装,电路与外部的连接靠芯片放到管壳中进行封装,电路与外部的连接靠引脚完成。引脚完成。什么是集成电
4、路设计?什么是集成电路设计?根据电路功能和性能的要根据电路功能和性能的要求,在正确选择系统配置、电路形式、器件结构、求,在正确选择系统配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下,尽量减小芯片面工艺方案和设计规则的情况下,尽量减小芯片面积,降低设计成本,缩短设计周期,以保证积,降低设计成本,缩短设计周期,以保证全局全局优化,设计出满足要求的集成电路。优化,设计出满足要求的集成电路。设计的基本过程设计的基本过程 (举例)(举例)功能设计功能设计 逻辑和电路设计逻辑和电路设计 版图设计版图设计集成电路设计的最终输出是掩膜版图,通过制版集成电路设计的最终输出是掩膜版图,通过制版和工艺流片可以
5、得到所需的集成电路。和工艺流片可以得到所需的集成电路。设计与制备之间的接口:版图设计与制备之间的接口:版图主要内容主要内容 IC设计特点及设计信息描述设计特点及设计信息描述 典型设计流程典型设计流程 典型的布图设计方法及可测性设计技术典型的布图设计方法及可测性设计技术设计特点和设计信息描述设计特点和设计信息描述 设计特点设计特点(与分立电路相比与分立电路相比)对设计正确性提出更为严格的要求对设计正确性提出更为严格的要求 测试问题测试问题 版图设计:布局布线版图设计:布局布线 分层分级设计分层分级设计(Hierarchical design)和模块化设计和模块化设计 高度复杂电路系统的要求高度复
6、杂电路系统的要求 什么是分层分级设计?什么是分层分级设计?将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低的设将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低的设计级别,这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级别;这样计级别,这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级别;这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足够低,也就是的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足够低,也就是说,能相当容易地由这一级设计出的单元逐级组织起复杂的系说,能相当容易地由这一级设计出的单元逐级组织起复杂的系统。一般来说,级别越高,抽象程度越高;级别越低,细节越统。一般来说,级别越高,抽象程度越高;级别越低,细节越具
7、体具体从层次和域表示分层分级设计思想从层次和域表示分层分级设计思想域:域:行为域:集成电路的功能行为域:集成电路的功能 结构域:集成电路的逻辑和电路组成结构域:集成电路的逻辑和电路组成 物理域:物理域:集成电路掩膜版的几何特性集成电路掩膜版的几何特性和物理特性的具体实现和物理特性的具体实现层次:层次:系统级、算法级、寄存器传输级系统级、算法级、寄存器传输级(也也称称RTL级级)、逻辑级与电路级逻辑级与电路级系统级系统级行为、性行为、性能描述能描述CPU、存储、存储器、控制器器、控制器等等芯片、电路芯片、电路板、子系统板、子系统算法级算法级I/O算法算法硬件模块、硬件模块、数据结构数据结构部件间
8、的物部件间的物理连接理连接RTL级级状态表状态表ALU、寄存、寄存器、器、MUX微存储器微存储器芯片、宏单芯片、宏单元元逻辑级逻辑级布尔方程布尔方程 门、触发器门、触发器 单元布图单元布图电路级电路级微分方程微分方程 晶体管、电晶体管、电阻、电容阻、电容管子布图管子布图设计信息描述设计信息描述 分类分类内容内容语言描述语言描述(如如VHDL 语语言、言、Verilog 语言等语言等)功能描述与逻辑描述功能描述与逻辑描述功能设计功能设计功能图功能图逻辑设计逻辑设计逻辑图逻辑图电路设计电路设计电路图电路图设设计计图图版图设计版图设计符号式版图符号式版图,版图版图举例:举例:x=ab+ab;CMOS
9、与非门;与非门;CMOS反相器版图反相器版图 什么是版图?一组相互套合的图形,各层版图相什么是版图?一组相互套合的图形,各层版图相应于不同的工艺步骤,每一层版图用不同的图案应于不同的工艺步骤,每一层版图用不同的图案来表示。来表示。版图与所采用的制备工艺紧密相关版图与所采用的制备工艺紧密相关设计流程设计流程 理想的设计流程理想的设计流程(自顶向下:自顶向下:TOP-DOWN)系统功能设计,逻辑和电路设计,版图设计系统功能设计,逻辑和电路设计,版图设计硅编译器硅编译器silicon compiler(算法级、算法级、RTL级向下)级向下)门阵列、标准单元阵列等门阵列、标准单元阵列等逻辑和电路描述逻
10、辑和电路描述系统性能编译器系统性能编译器系统性能指标系统性能指标性能和功能描述性能和功能描述逻辑和电路编译器逻辑和电路编译器几何版图描述几何版图描述版图编译器版图编译器制版及流片制版及流片统统一一数数据据库库典型的实际设计流程典型的实际设计流程 需要较多的人工干预需要较多的人工干预 某些设计阶段无某些设计阶段无自动设计自动设计软件,通过软件,通过模拟模拟分析软分析软件来完成设计件来完成设计 各级设计需要验证各级设计需要验证典型的实际设计流程典型的实际设计流程 1、系统功能设计系统功能设计 目标:实现系统功能,满足基本性能要求目标:实现系统功能,满足基本性能要求过程:过程:功能块划分,功能块划分
11、,RTL级描述,行为仿真级描述,行为仿真 功能块划分功能块划分 RTL级描述(级描述(RTL级级VHDL、Verilog)RTL级行为仿真:总体功能和时序是否正确级行为仿真:总体功能和时序是否正确功能块划分原则:功能块划分原则:既要使功能块之间的连线尽可能地少,接口清既要使功能块之间的连线尽可能地少,接口清晰,又要求功能块规模合理,便于各个功能块晰,又要求功能块规模合理,便于各个功能块各自独立设计。同时在功能块最大规模的选择各自独立设计。同时在功能块最大规模的选择时要考虑设计软件可处理的设计级别时要考虑设计软件可处理的设计级别 算法级:算法级:包含算法级综合:将算法级描述转换到包含算法级综合:
12、将算法级描述转换到 RTL级描述级描述 综综 合:合:通过附加一定的约束条件从高一级设通过附加一定的约束条件从高一级设 计层次直接转换到低一级设计层次的过程计层次直接转换到低一级设计层次的过程逻辑级:逻辑级:较小规模电路较小规模电路实际设计流程实际设计流程系统功能设计系统功能设计 输出:语言或功能图输出:语言或功能图 软件支持:多目标多约束条件优化问题软件支持:多目标多约束条件优化问题 无自动设计软件无自动设计软件 仿真软件:仿真软件:VHDL仿真器、仿真器、Verilog仿真器仿真器实际设计流程实际设计流程2、逻辑和电路设计、逻辑和电路设计概念:确定满足一定逻辑或电路功能的由逻辑或电路单概念
13、:确定满足一定逻辑或电路功能的由逻辑或电路单元组成的逻辑或电路结构元组成的逻辑或电路结构过程:过程:A.数字电路:数字电路:RTL级描述级描述 逻辑综合逻辑综合(Synopsys,Ambit)逻辑网表逻辑网表 逻辑模拟与验证,时序分析和优化逻辑模拟与验证,时序分析和优化 难以综合的:人工设计后进行原理图输入,再进行难以综合的:人工设计后进行原理图输入,再进行逻辑模拟逻辑模拟 电路实现电路实现(包括满足电路性能要求的电包括满足电路性能要求的电路结构和元件参数路结构和元件参数):调用单元库完成;调用单元库完成;没有单元库支持:没有单元库支持:对各单元进行电路设计,对各单元进行电路设计,通过电路模拟
14、与分析,预测电路的直流、交流、通过电路模拟与分析,预测电路的直流、交流、瞬态等特性,之后再根据模拟结果反复修改器瞬态等特性,之后再根据模拟结果反复修改器件参数,直到获得满意的结果。由此可形成用件参数,直到获得满意的结果。由此可形成用户自己的单元库户自己的单元库单元库:单元库:一组单元电路的集合一组单元电路的集合 经过经过优化设计、并通过设计规则检查和反复工艺验证,优化设计、并通过设计规则检查和反复工艺验证,能正确反映所需的逻辑和电路功能以及性能,适合于工能正确反映所需的逻辑和电路功能以及性能,适合于工艺制备,可达到最大的成品率。艺制备,可达到最大的成品率。元件元件 门门 元胞元胞 宏单元(功能
15、块)宏单元(功能块)基于单元库的描述:层次描述基于单元库的描述:层次描述单元库可由厂家提供,可由用户自行建立单元库可由厂家提供,可由用户自行建立 B.模拟电路:尚无良好的综合软件模拟电路:尚无良好的综合软件 RTL级仿真通过后,根据经验进行电路设计级仿真通过后,根据经验进行电路设计 逻辑和电路设计的输出:逻辑和电路设计的输出:网表(元件及其连接关系)或逻网表(元件及其连接关系)或逻辑图、电路图辑图、电路图 软件支持软件支持:逻辑综合、逻辑模拟、电路模拟、时序分析等软:逻辑综合、逻辑模拟、电路模拟、时序分析等软件件(EDA软件系统中已集成软件系统中已集成)电路模拟与验证电路模拟与验证原理图输入原
16、理图输入模拟单元库模拟单元库实际设计流程实际设计流程3.版图设计版图设计概念:根据逻辑与电路功能和性能要求以及工艺概念:根据逻辑与电路功能和性能要求以及工艺水平要求来设计光刻用的掩膜版图,水平要求来设计光刻用的掩膜版图,IC设计的最终输出。设计的最终输出。什么是版图?一组相互套合的图形,各层版图相什么是版图?一组相互套合的图形,各层版图相应于不同的工艺步骤,每一层版图用不同的图案应于不同的工艺步骤,每一层版图用不同的图案来表示。来表示。版图与所采用的制备工艺紧密相关版图与所采用的制备工艺紧密相关版图设计过程:由底向上过程版图设计过程:由底向上过程 主要是布局布线过程主要是布局布线过程 布局:将
17、模块安置在芯片的适当位置,满足一定目标布局:将模块安置在芯片的适当位置,满足一定目标函数。对级别最低的功能块,是指根据连接关系,确函数。对级别最低的功能块,是指根据连接关系,确定各单元的位置,级别高一些的,是分配较低级别功定各单元的位置,级别高一些的,是分配较低级别功能块的位置,使芯片面积尽量小。能块的位置,使芯片面积尽量小。布线:根据电路的连接关系(连接表)在指定区域布线:根据电路的连接关系(连接表)在指定区域(面积、形状、层次)百分之百完成连线。布线均匀,(面积、形状、层次)百分之百完成连线。布线均匀,优化连线长度、保证布通率。优化连线长度、保证布通率。版图设计过程版图设计过程大多数基于单
18、元库实现大多数基于单元库实现(1)软件自动转换到版图,可人工调整(规则芯片)软件自动转换到版图,可人工调整(规则芯片)(2)布图规划()布图规划(floor planning)工具工具 布局布线工具(布局布线工具(place&route)布图规划:布图规划:在一定约束条件下对设计进行物理划分,在一定约束条件下对设计进行物理划分,并初步确定芯片面积和形状、单元区位置、功能块的并初步确定芯片面积和形状、单元区位置、功能块的面积形状和相对位置、面积形状和相对位置、I/O位置,产生布线网格,还可位置,产生布线网格,还可以规划电源、地线以及数据通道分布以规划电源、地线以及数据通道分布(3)全人工版图设计
19、:人工布图规划,提取单元,)全人工版图设计:人工布图规划,提取单元,人工布局布线(由底向上:人工布局布线(由底向上:小功能块到大功能块)小功能块到大功能块)单元库中基本单元单元库中基本单元较小的功能块较小的功能块总体版图总体版图版图检查与验证版图检查与验证布局布线布局布线布局布线布局布线较大的功能块较大的功能块布局布线布局布线布图规划布图规划人工版图设人工版图设计典型过程计典型过程 版图验证与检查版图验证与检查 DRC:几何设计规则检查几何设计规则检查 ERC:电学规则检查电学规则检查 LVS:网表一致性检查网表一致性检查 POSTSIM:后仿真(提取实际版图参数、电阻、电后仿真(提取实际版图
20、参数、电阻、电容,生成带寄生量的器件级网表,进行开关级逻辑模容,生成带寄生量的器件级网表,进行开关级逻辑模拟或电路模拟,以验证设计出的电路功能的正确性和拟或电路模拟,以验证设计出的电路功能的正确性和时序性能等时序性能等),产生测试向量,产生测试向量 软件支持:成熟的软件支持:成熟的CAD工具用于版图编辑、人机交工具用于版图编辑、人机交互式布局布线、自动布局布线以及版图检查和验证互式布局布线、自动布局布线以及版图检查和验证 设计规则设计规则 IC设计与工艺制备之间的接口设计与工艺制备之间的接口 制定目的:使制定目的:使芯片尺寸芯片尺寸在在尽可能小尽可能小的前提下,避的前提下,避免线条宽度的偏差和
21、不同层版免线条宽度的偏差和不同层版套准偏差套准偏差可能带来可能带来的问题,尽可能地的问题,尽可能地提高电路制备的成品率提高电路制备的成品率 什么是设计规则?考虑器件在正常工作的条件下,什么是设计规则?考虑器件在正常工作的条件下,根据实际工艺水平根据实际工艺水平(包括光刻特性、刻蚀能力、对包括光刻特性、刻蚀能力、对准容差等准容差等)和成品率要求,给出的和成品率要求,给出的一组同一工艺层一组同一工艺层及不同工艺层之间几何尺寸的限制及不同工艺层之间几何尺寸的限制,主要包括线,主要包括线宽、间距、覆盖、露头、凹口、面积等规则,分宽、间距、覆盖、露头、凹口、面积等规则,分别给出它们的最小值,以防止掩膜图
22、形的断裂、别给出它们的最小值,以防止掩膜图形的断裂、连接和一些不良物理效应的出现。连接和一些不良物理效应的出现。设计规则的表示方法设计规则的表示方法 以以 为单位:把大多数尺寸(覆盖,出头等等)约为单位:把大多数尺寸(覆盖,出头等等)约定为定为 的倍数的倍数 与工艺线所具有的工艺分辨率有关,线宽偏离理与工艺线所具有的工艺分辨率有关,线宽偏离理想特征尺寸的上限以及掩膜版之间的最大套准偏差,想特征尺寸的上限以及掩膜版之间的最大套准偏差,一般等于栅长度的一半。一般等于栅长度的一半。优点:版图设计独立于工艺和实际尺寸优点:版图设计独立于工艺和实际尺寸 举例:举例:以微米为单位:每个尺寸之间没有必然的比
23、例关系,以微米为单位:每个尺寸之间没有必然的比例关系,提高每一尺寸的合理度;简化度不高提高每一尺寸的合理度;简化度不高 举例:举例:总体要求总体要求系统功能设计系统功能设计寄存器传输级寄存器传输级描述描述寄存器传输级寄存器传输级模拟与验证模拟与验证子系统子系统/功能块功能块综综 合合门级逻辑门级逻辑网表网表逻辑模拟逻辑模拟与验证与验证电路模拟电路模拟与验证与验证版图生成版图生成逻辑图逻辑图电路图电路图最终版图数据最终版图数据与测试向量与测试向量制版制版与工艺流片与工艺流片计算机辅助计算机辅助测试测试(ICCAT)生产定型生产定型工艺模拟工艺模拟版图几何设计规则和版图几何设计规则和电学规则检查电
24、学规则检查网表一致性检网表一致性检查和后仿真查和后仿真 IC设计流程视具体系统而定设计流程视具体系统而定 随着随着 IC CAD系统的发展,系统的发展,IC设计更侧重系统设计设计更侧重系统设计 正向设计,逆向设计正向设计,逆向设计 SoC:IP(Intelligent Proprietary)库库(优化设计优化设计)软核:行为级描述软核:行为级描述firm IP:门级门级 hard IP:版图级,版图级,D/A A/D DRAM,优化的深亚微米电路等优化的深亚微米电路等 IC设计与电路制备相对独立的新模式设计与电路制备相对独立的新模式 Foundry的出现的出现VDSM电路设计对设计流程的影响
25、电路设计对设计流程的影响美国国家半导体协会美国国家半导体协会(SIA)预测预测 年份年份 1999 2001 2003 2006 2009 2012 密集线条:半节距密集线条:半节距(m)0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.05 缩小率缩小率-0.83 0.86 0.77 0.70 0.71 孤立线条:孤立线条:MPU栅长栅长(m)0.14 0.12 0.10 0.07 0.05 0.035 缩小率缩小率-0.86 0.83 0.70 0.71 0.70 DRAM 样品样品 1G-4G 16G 64G 256G DRAM 批量产品批量产品 256M 1G 1G 4G 16G
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