集成电路设计的发展现状及趋势

集成电路设计的发展现状及趋势

摘要：集成电路设计展现状及趋势是全世界微电子技术发展的重中之重，同时也是我国面临的有利机会和严峻挑战。只有认清了现状和找对了趋势，我国的集成电路发展才会越来越强。下面将简要介绍SoC 设计技术、低功耗设计技术、软硬件协同设计技术，以及集成电路设计技术优势、发展现状和趋势。

关键词：集成电路设计、SoC设计、发展现状、趋势

一、引言

集成电路设计是集成电路研制中的一个重要环节。集成电路的发展经历了一个比较漫长的过程，下面将以时间为顺序，简述一下集成电路的发展过程。1906年，人类历史上第一个电子管诞生；1912年前后，电子管的制作日趋成熟引发了人类无线电技术的进一步发展；1918年前后，人类逐步发现了半导体材料；1920年，又继续发现了半导体材料所具有的光敏特性；1932年前后，科学家运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象的规律；1956年，硅台面晶体管在社会上问世；1960年12月，人类第一块硅集成电路制造成功，引起了社会的轰动；1966年，美国贝尔实验室又使用了比较完善的硅外延平面工艺技术制造成了世界第一块公认的大规模集成电路。 1988年：16M DRAM问世，集成电路中1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，这项成果的问世标志着世界进入了超大规模集成电路阶段的更高阶段。1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世,技术采用

了0.25μｍ工艺，300MHz奔腾Ⅱ的推出让计算机的发展更加如虎添翼，300MHz奔腾Ⅱ的发展速度确实让人惊叹。2009年：intel 酷睿i系列技术的全新推出，这项技术创纪录采用了世界上领先的32纳米工艺技术，并且下一代22纳米工艺正在紧张就绪的研发。随着社会竞争的不断加剧，集成电路制作工艺也在不断的日益成熟和各集成电路厂商的不断竞争和完善。在这种大环境下，集成电路将会继续发挥了它的更大功能，更好的为人类和社会服务。随着集成度技术的日益提高，集成电路设计成本和设计周期已经成为了集成电路技术，特别是超大规模集成电路产品研制成本和产品周期的主要部分。众所周知，集成电路设计社会发展的先导性产业，决定着国家信息的安全，其战略地位将越来越明显。而最新研制成果利用电子设计自动化EDA工具，将会根据集成电路的不同设计采用不同的设计方法，这样就可以在保证设计正确的情况下，更好的缩短设计周期和更高效的节省设计成本，在市场更好的提高产品的市场竞争力。下面将简要介绍SoC设计技术、低功耗设计技术、软硬件协同设计技术。

1：SoC设计技术顾名思义，就是IP技术的集成。目前SoC设计集成了多种功能，在工艺上可以被不断扩大而被广泛需要，例如模拟以及混合信号、射频、MEMS、光电、生物电以及其他非传统部件在一个芯片上的集成，SoC基本的概念以及特点目前已经被趋于一致，顾名思义的来讲，就是系统芯片将一个系统的多个部分而集中在一个芯片上，能够高效完成某种完整电子系统功能

的芯片。众所周知，SoC技术可以更加有效地减少电子信息系统产品的开发成本，更加高效的缩短研发的周期，更加有力的提高产品的竞争力，SoC设计技术是未来工业界都将采用的产品开发方式。

2：低功耗设计技术：集成电路设计技术中的低功耗技术是源于上世纪九十年代由于社会中实际应用迫切需要而受到的广泛关注而迅速发展起来的一项对社会产生巨大影响的技术，并且这项技术在集成电路设计中的重要性也随着工艺技术的发展变得愈来愈重要。在工业技术发展中随着CMOS集成电路的规模越来越大，设计工作频率的不断提高，产业芯片功耗越来越大，这就给集成电路的设计使用带来了两个不利的影响。1：为了延长工作时间而要提高电源性能的品质；2：电路在某些情况下只是在某一定温度范围下工作，这就要求集成电路技术更加精确封装和良好散热性能。在这些日益突出的问题下，功耗特别是功耗密度就变得越来越明显，直接成为影响电路性能的核心问题。若问题得不到解决，功耗密度增加直接引起芯片温度升高，进而将影响到电路的安全性可靠性。所以为了避免芯片的发热，工艺技术将会花费更多的成本来解决芯片的封装和冷却问题。在这种大环境下，降低功耗是集成电路技术发展的需求，低功耗设计更加成为一个关键的设计考虑因素。

3：软硬件协同设计技术：软硬件协同设计是指对系统中的软硬件部分使用统一的描述和工具进行集成开发,可完成全系统的设计验证并跨越软硬件界面进行系统优化。软硬件协同设计技术

理论应该是集成电路设计理论完善的体现，是将现有理论提升到一个更高层次的设计理论，软硬件协同设计技术是和现有理论一起合并成更为完善的理论体系。传统的集成电路设计技术已经在功耗的分析和估计方面有了一套比较完整的理论和方法。但是，仅仅通过传统的理论体系来分析和评估含有软件和硬件的SOC将是不够的。从简单地来讲，对一个简单的硬件设计进行功耗分析是很简单的，但是软件运行引起的动态功耗问题则必须通过软硬件的联合运行才能更好的得到解决。

二、SoC设计

1：SoC设计的定义：

SoC设计技术包含微处理器、微控制器、存储器和其他专用功能逻辑技术，但这并不就是指包含微处理器、存储器和其他专用功能逻辑的芯片就可以定义为SoC。SoC技术在工艺上被广泛认可的根本原因是因为，并不在于SoC设计技术可以集成多少数量的晶体管，原因在于SoC设计技术可以在比较短的时间被人为的设计出来。这就是SoC设计技术的主要价值—大大缩短了所属产品的上市周期。因此，SoC更为合理的定义可以这样阐述：SoC设计技术是在一个单独芯片上由于被广泛的人为使用预定制模块IP(Intellectual Property)而被得以快速研发和使用的集成电路设计技术。从设计的角度来讲，SoC 可以定义为一个通过设计技术复用而达到的高生产率硬件软件协同设计过程的技术。然而从方法学的思维来讲，SoC设计可以被认为是一套极大规模集成电路设计方法学的技术，该技术IP核可以被复用

设计、测试方法和接口规范、系统芯片总线式集成设计方法学、系统芯片以及测试方法学。SOC 设计是一种合理的设计理念，这种设计理念可以将各个集成在一起的模块集成到一个芯片上，该设计理念参考了软件复用概念，也被加入了继承的概念。也可以说该设计理念包含了设计和测试以及更多技术而合成的一项新设计技术。

2：SoC设计的构成：

（1）从逻辑核上来看，SoC设计包括CPU、时钟电路、定时器、中断控制器、串并行接口、其它外围设备、I/O端口和将会应用于各种IP核之间的粘合逻辑的设备等等；

（2）从存储器核上来讲，包括了各种易失和非易失以及Cache 等存储器；

（3）从模拟核上来讲，SoC设计包括了ADC、DAC、PLL和一些高速电路中所广泛使用的模拟电路。

3：SoC设计技术的特征：

（1）是具有实现复杂系统功能的VLSI技术；

（2）SoC设计技术采用了超深亚微米工艺技术这项研究；

（3）SoC设计技术使用了一个以上嵌入式CPU的数字信号处理器（DSP）；（4）SoC设计外部可以对芯片编程。

4：SoC的设计与目前集成电路设计应有所不同，主要体现在以下几个方面

（1）SoC设计的主要目标在于提高设计的产能，所以为了保证一定程度的设计产能，而采用了IP设计复用技术作为主要

的设计方法，在设计研发过程中中，设计人员可以使用和

借鉴已经较为成熟的设计技术来为自己的产品更好的服

务，这是SoC能够在时间紧迫的情况下上市的重要原因。

这样，：SoC设计技术从功能设计作为基础的传统设计流

程可以进而转变为以功能组装为基础的设计方法，然而设

计人员考虑的是应该如何更加合理的进行软硬件的划分、

应该如何选择功能模块、应该如何使用这些模块、应该如

何进行模块互连，应该如何进行系统验证等一系列的问题。（2）SoC设计技术与传统的集成电路设计和板级系统设计有着本质上的区别。在传统的系统设计中，软件和硬件分别进行

设计分析，只有在当硬件的设计全部实现后才能进行软硬件

的合成联调，进而才能进行软件的调试过程。相反在SoC设

计中，设计为了能够保证对功能和性能以及上市时间和开发

成本等方面的要求，为了满足对系统设计的要求，在系统设

计阶段需要更好的进行软硬件的划分，以及使软硬件可以更

好的进行设计调试。在这种设计理念下，大大缩短了设计的

周期，高效的提高了设计效率。

（3）SoC设计技术集成了逻辑、模拟、存储、射频、MEMS、光电、生物电以及其他非传统技术，由于设计的要求不同，这样就会给设计技术带来很多意想不到的变化，需要工作者考虑不同系统之间如何相互兼容的问题，例如在数字电路中的主要速度、存储电路中的主要考虑集成度、模拟电路中主要的关

注精度、混合信号电路中的关注兼容性、设计人员要具有丰富的系统知识，在设计过程中要考虑的因素很多，除了功能的正确外，还要更加准确的考虑时序、功耗、可靠性、可制备性、信号完整性和可测试性的要求。

（4）由于SoC集成了很多原来集成电路的不同功能，规模较为庞大，结构较为复杂，出现错误后再检查将会非常困难，因此这就对设计阶段的验证以及研究提出了更加高的要求

三、集成电路的应用范围广泛，门类繁多。其分类方法也多种多样。集成电路按结构可分为单片集成电路和混合集成电路两大类，单片集成电路包括：双极型、MOS型（NMOS、PMOS）、BI MOS型（BIMOS、BICMOS）混合集成电路则包括：薄膜混合集成电路和厚膜混合集成电路两种；根据集成电路规模的大小，通常将集成电路分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路，集成电路规模的划分主要是根据集成电路中的器件数目，即集成电路规模由集成度确定。根据集成电路的功能可以将其划分为数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路三类。由于集成电路种类多样，其设计方法往往不局限于固定的一种方案。集成电路设计方法一般可分为逻辑（或功能）设计、电路设计、版图设计和工艺设计四类。通常有两种设计途径：正向设计和逆向设计，一个好的、高效的集成电路设计应该满足功能正确、电学性能优化、芯片面积小、设计可靠性高等要求。

与设计分立器件组成的电路相比，集成电路设计具有诸多特点：

（1）集成电路对设计正确性提出了更为严格的要求。对复杂的集成电路而言，必须避免设计过程中的错误。可以在芯片中设置容错电路，使芯片具有一定的修正功能；现在技术人员采用的普遍做法是借助完善的设计技术及设计工具，对设计的每个阶段进行反复验证和检查，并对物理因素与电学性能等问题进行综合考虑，以保证设计的正确性。（2）集成电路外引出端的数目不可能与芯片内器件的数目同步增加，这就增加了从外引出端检测内部电路功能的困难，加之电路内部功能的复杂性，在进行集成电路设计，必须采用便于检测的电路结构，并需要对电路的自检测功能进行考虑。（3）布局、布线等版图设计过程是集成电路设计中所特有的，只有最终生成设计的版图，通过制作掩膜版、工艺流片，才能真正实现集成电路的各种功能。（4）集成电路在芯片上集成了数以万计、亿计的器件，应该采用分层分级设计和模块化设计思想。

四、集成电路的发展趋势

众所周知，在集成电路设计的发展初期，集成电路设计的发展都会从器件的物理版图的设计方面入手，到后来就逐渐出现了集成电路设计的单元库形式，这样就使得集成电路从器件级直接进入了逻辑级，这样的设计发展思路就使得大批电路设计和逻辑设计师直接参与集成电路设计，极大程度地推动了IC产业的迅速发展，但是在现实生后中集成电路只是一种半成品产品，集成电路只有装入装机的系统才会发挥它应有的作用。IC芯片是通过了印刷电路板等技术发展来实现的整机系统。尽管IC产业的发展速度可以很高、功耗可能会很

小，但是由于PCB板中IC芯片间连线延时、PCB板的可靠性和重量等一系列因素的限制、整机系统的不同性能可能会受到很大程度的限制，但是随着整机系统不断的向高速度和低功耗、低电压和多媒体技术、网络化技术、移动化技术的发展，系统对电路发展的要求也越来越严格，传统的集成电路设计技术已经越来越无法满足性能的日益提高整机系统的不断要求。于此同时，IC设计技术和工艺水平的不断提高，集成电路设计的规模也发展的越来越大，其发展的复杂程度也变得越来越高深，这样就可以将整个的集成电路系统集成为一个芯片。在目前的工艺中，科技的发展已经可以在一个芯片上复杂的集成10^8到10^9个晶体管。随着微电子技术制造技术的日益发展，未来21世纪的微电子技术的发展将会逐渐的从现在的3G应用时代发展为3T应用时代。

于此同时，集成系统与集成电路的设计思想是有所区别的，集成系统是微电子设计领域的一场革命。集成系统与集成电路发展的关系与此前集成电路与分立器件的关系变得相似，集成电路系统对微电子技术的推动可以说不亚于自20世纪50年代末社会中快速发展的集成电路发展技术。

集成系统技术的发展依靠的是工艺中非常宽的背景，现实中一个人或几个人包打天下的可能性现在已经变得很小。如果在IP模块设计中要更多体现的包括功能、行为、算法、架构以及思路和构想等一系列系统背景。

在日益迅速发展的科技时代，集成电路系统将会是21世纪初微电子技术发展的重点，同时也将是信息技术发展的必然结果。应用是集成电路产业链中不可或缺的重要环节，是集成电路最终进入消费者手中的必经之途。除众所周知的计算机、通信、网络、消费类产品的应用外，集成电路正在不断开拓新的应用领域。诸如微机电系统,微光机电系统、生物芯片(如DNA芯片)、超导等，这些创新的应用领域正在形成新的产业增长点。

参考文献：

1、《微电子学概论》张兴黄如编著北京大学出版社

2、《集成电路设计》王志功陈莹梅编著电子工业出版社、

3、《集成电路版图设计》曾庆贵编著机械工程出版社

4、网络资源