微电子学概论集成电路设计的EDA系统

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EDA

ESDA阶段的EDA技术主要特征：（1）采用硬件描述语言，支持不同层次的描述，使设
计描述更加规范化，便于传递、交流、保存、修改以及重复利用。（2）采用高层次综合：设计层次提高到系统级，或称为行为级，并划分为逻辑综合与测试综合，保证系统设计结果稳
定可靠地工作。（3）建立并行设计框架：使用统一的数据库管理系统与完善的通信管理系统，
系统级的仿真与综合。
2．CAED阶段 CAD阶段的自动布局布线工具代替了设计工作中绘图的重复劳动，80年代CAED阶段的 EDA工具则代替了设计师的部分设计工作，在电子系统的设计、制造最佳的电子产品起到关键作用。 80年代计算机的发展，使得以科学计算为主的计算机步入辅助工程设计的工作站阶段。工
作站平台不单只是计算机计算能力的增强，更重要的是人机图形界面标准的发展，三维图形造
该函数的模拟信号。
A B
函数信号输出 FPGA 数模转换器
时钟信号
简易多功能函数发生器系统框图
对FPGA内部各模块进行调试，调试通过后下载到FPGA芯片中。连接 FPGA与DAC芯片，系统运行。用示波器测试DAC模拟电压端Vo，调整开关A、B，观察到的输出波形如图所示。
第三方提供的IP核也有免费和付费两类。免费IP核可以登录工业界的开源IP库网站：
，在Opencores网站中已经积累了算术单元、通信控制器、协处理器、密码处理器、数字信号处理器、嵌入式处理器等大量的免费资源。这些资源的合理使用可以有效地
提高FPGA设计效率。
2.5 FPGA应用系统举例
共享数据库和知识库，并行进行设计。（4）软硬件协调设计与验证：弥补了软件设计与硬件设计之间的空隙，保证了软硬件之间的同对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计；涉及的电子系统从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从通用集成电路到专用集成电路构造的电子系统，因此EDA技术研究的范畴相当广泛。从FPGA开发与应用角度看，EDA系统应当包含以下五个子模块：1设计输入子模块、2设计数据库子模块、3分析验证子模块、4综合仿真子模块、5布局布线子模块等。全球提供EDA软件工具的厂商有近百家之多，可以分为两大类：一类是EDA专业软件公司开发的通用EDA软件工具，另一类是半导体器件厂商，为了销售公司产品开发的专用EDA软件工具。

第一章课程绪论与EDA概述

1.1 EDA技术及其重要性A 是电子设计自动化 (Electronic Design
Automation)的缩写，是从CAD、CAM、CAT、CAE 的概念发展而来的。
–EDA技术就是以计算机为基本工作平台，以硬件
描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以 EDA工具软件为开发环境，以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以专用集成电路ASIC、单片电子系统SOC（System On a Chip）芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程返回

EDA的主要发展趋势： 1. 器件方面：规模大、功耗低、模拟可编程、内嵌多种专用端口和附加功能模块。 2. 工具软件方面 3. 应用方面嵌入式系统的设计基于FPGA的DSP设计计算机处理器设计
１.4 专用集成电路ASIC

ASIC的概念和分类：专用集成电路ASIC（Application Special Integrated Circuit）是相对通用集成电路而言的，它是面向专门用途而设计的集成电路。特点：可靠性高、成本低、保密性强。分类：按功能分：数字ASIC、模拟ASIC和微波ASIC

按设计方法分：全定制ASIC、半定制ASIC、可编程ASIC
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各类CPLD/FPGA下载板
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作业
１、什么是EDA技术？它的核心内
容是什么？ 2、简述EDA技术的主要特点与发展趋势。
END
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课程的目的与教学基本要求:
EDA （Electronics Design Automation ），电子设计自动化技术是现代电子信息工程领域的一门新技术，是电子设计技术和电子制造技术的核心，它是在先进的计算机工作平台上开发出来的一整套电子系统设计的软硬件工具，并提供了先进的电子系统设计方法。

《微电子与集成电路设计导论》第五章集成电路基础

图5.2.10 与非门电路
图5.2.11-5.2.14 电路图
图5.2.15 与非门输出响应
当A、B取不同组合的逻辑电平时，与非门电路的输出响应如图 5.2.15所示。
2. 或非门电路
A=0,B=0
A=0,B=1
A=1,B=0
A=1,B=1
图5.2.16 或非门电路
图5.2.17-5.2.20 A=0，B=0时的电路图
性能指标：除增益和速度外，功耗、电源电压、线性度、噪声和最大电压摆幅等也是放大器的重要指标。此外，放大器的输入输出阻抗将决定其应如何与前级和后级电路进行相互配合。在实际中，这些参数几乎都会相互牵制，一般称为“八边形法则”，茹右下图所示。
➢ 增益：输出量Xout与输入量Xin的比值
➢ 带宽：指放大器的小信号带宽。
特性参数相同，当电压翻转上升时，漏极电流
ID
Kn
W L
Vin
VTN
2
0
I
Imax
即一周期的平均电流
Imean
1 6
Kn
W L
1 VDD
VDD VTN
3
Tclk
综上，短路功耗最终为
Psc VDDImean
CMOS逻辑门电路
1.与非门电路
A=0,B=0
A=0,B=1
A=1,B=0
A=1,B=1
许的临界电平和理想逻辑电平之间的范围为 CMOS电路的直流噪声容限，定义为
VNH VOH VIH
VNL VIL VOL
图5.2.6 极限输出电平定义的噪声容限
（2）极限输出电平定义的噪声容限根据实际工作确定所允许的最低的输出
高电平VOHmin，它所对应的输入电平定义为关门电平VOFF；给定允许的最高的输出低电平VOLmax，它所对应的输入电平定义为开门电平VON。开门电平和关门电平与CMOS电路的理想输入逻辑电平之间的范围就是 CMOS电路的噪声容限。如左图所示是反相器的噪声容限输入高电平噪声容限：

集成电路设计的EDA系统.pptx

而估算速度、面积、功耗，进行逻辑结构的性能优化 • 5. 得到工艺相关的逻辑网表
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逻辑模拟
• 逻辑模拟的基本概念：将逻辑设计输入到计算机，用软件方法形成硬件的模型，给定输入波形，利用模型算出各节点和输出端的波形，判断正确否
• 主要作用：验证逻辑功能和时序的正确性
• 分类：根据所模拟逻辑单元规模的大小
• 整个设计过程就是把高层次的抽象描述逐级向下进行综合、验证、实现，直到物理级的低层次描述，即掩膜版图。
• 各设计阶段相互联系，例如，寄存器传输级描述是逻辑综合的输入，逻辑综合的输出又可以是逻辑模拟和自动版图设计的输入，版图设计的结果则是版图验证的输入。
• ICEDA系统介入了包括系统功能设计、逻辑和电路设计以及版图设计等在内的集成电路设计的各个环节
• 分配：给定性能、面积/功耗条件下，确定相应的RTL级单元来实现各种操作，产生相应的数据通道，即将行为（如数据处理、存储、传输等）与元件对应起来
• 调度：确定这些操作单元的次序 • 结果：与工艺无关的通用RTL级单元组成的结构描述
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逻辑综合
• 概念：通过逻辑综合器结合单元库，将RTL级描述转换成逻辑级描述 • 核心：由给定的功能和性能要求，在一个包含许多结构、功能、性能已知的逻辑
• VHDL • Verilog HDL
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综合
• 概念：通过附加一定的约束条件，结合相应的单元库，从设计的高层次向低层次转换的过程，是一种自动设计的过程
• 分类： • 高级综合：从算法级到寄存器传输（RTL）级 • 逻辑综合：从寄存器传输级到逻辑级
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高级综合
• 概念：结合RTL级单元库，将算法级描述转换成RTL级描述 • 核心：分配（ALLOCATION）和调度（SCHEDULING）

第1章集成电路设计导论

第1章集成电路设计导论
1、微电子（集成电路）技术概述 2、集成电路设计步骤及方法
1
集成电路设计步骤
➢ “自底向上”（Bottom-up）
“自底向上”的设计路线，即自工艺开始，先进行单元设计，在精心设计好各单元后逐步向上进行功能块、子系统设计直至最终完成整个系统设计。在模拟IC和较简单的数字IC设计中，大多仍采用“自底向上”的设计方法。
5
半定制方法
半定制的设计方法分为：门阵列（GA：Gate Array）法；门海（GS：Sea of Gates）法；标准单元（SC: Standard Cell）法；积木块（BB：Building Block Layout）；可编程逻辑器件（PLD：Programmable Logic Device)设计法。
标准单元法也存在不足：பைடு நூலகம்
(1) 原始投资大：单元库的开发需要投入大量的人力物力；当工艺变化时，单元的修改工作需要付出相当大的代价，因而如何建立一个在比较长的时间内能适应技术发展的单元库是一个突出问题。 (2) 成本较高：由于掩膜版需要全部定制，芯片的加工也要经过全过程，因而成本较高。只有芯片产量达到某一定额(几万至十几万)，其成本才可接受。
不满足后仿真
满足
VLS流I数片、字封I装C、的测设试计流图
功能要求
系统建模（Matlab等）
不满足电路仿真
满足手工设计
版图不满足
后仿真满足
模流拟片、IC封的装、设测计试流图
3
集成电路设计方法
➢ 全定制方法（Full-Custom Design Approach） ➢ 半定制方法（Semi-Custom Design Approach）

集成电路设计的EDA系统概述

集成电路设计实例
要点一
总结词
集成电路设计是EDA系统的核心应用之一，通过使用EDA 系统，设计师可以完成集成电路的物理设计、验证和优化。
要点二
详细描述
集成电路设计实例包括微处理器芯片、数字信号处理芯片等复杂集成电路。EDA系统提供了集成电路物理设计、布局布线、DRC/LVS检查等功能，确保了集成电路设计的正确性和可靠性，缩短了产品上市时间。
随着云计算技术的发展，EDA系统将更加云化，能够提供更加灵活和高效的设计服务。
协同设计
可定制化设计
随着多项目和跨领域协同设计的需求增加，EDA系统将更加注重协同设计功能的建设和完善。
随着集成电路设计的多样化和个性化需求增加，EDA系统将更加注重可定制化设计功能的建设和完善。
05
EDA系统的应用实例
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物理设计
布图规划
根据电路设计和仿真结果，进行版图规划，确定元件布局和布线策略。
布线设计
根据布图规划结果，进行实际的布线设计，生成物理版图。
布图规划
自动布线
布线优化
支持自动布线功能，提高布线效率和准确性。
对布线结果进行优化，降低信号延迟和功耗。
验证和测试
形式验证
通过数学方法验证电路设计的正确性。
系统复杂性高
EDA系统的功能和模块越来越多，系统复杂性也越来越高，使用和维护的难度也随之增加。
数据安全风险
EDA系统涉及大量的设计数据和知识产权，需要采取有效的安全措施以保障数据安全。
未来的发展趋势
智能化设计
云化服务
随着人工智能和机器学习技术的发展， EDA系统将更加智能化，能够自动学习和优化设计过程。

微电子学概论

第一章绪论1.1946年第一台计算机：ENIAC2.1947年12月23日第一个晶体管:巴丁、肖克莱、布拉顿3.集成电路：通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能4.达默第一个提出集成电路的设想，1958年德克萨斯仪器公司基尔比研制除了第一块集成电路5.集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍，这就是摩尔定律6.集成电路按器件结构类型分类：a)双极集成电路：主要由双极晶体管构成a)NPN型双极集成电路b)PNP型双极集成电路b)金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成1.NMOS2.PMOS3.CMOS(互补MOS)c)双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂7.按结构形式的分类：单片集成电路：a)它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路b)在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等混合集成电路：c)厚膜集成电路d)薄膜集成电路8.按电路功能分类：↗数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路↗模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路✍线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等✍非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路↗数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等第三章第四章1.集成电路的集成度，功耗延迟积，特征尺寸是描述集成电路性能的几个重要指标2.特征尺寸：指集成电路中半导体器件的最小尺度3.图形转换：光刻：光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机；4.光刻胶：光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变5.正胶：曝光后可溶；负胶：曝光后不可溶；6.几种常见的光刻方法：接触式光刻，接近式曝光，投影式曝光，i.超细线条光刻技术b)甚远紫外线(EUV)c)电子束光刻d)X射线e)离子束光刻7.化学汽相淀积(CVD)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程CVD技术特点：a)具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点b)CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等2单晶硅的化学汽相淀积(外延)：一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片二氧化硅的化学汽相淀积：可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源c)低温CVD氧化层：低于500℃d)中等温度淀积：500～800℃e)高温淀积：900℃左右多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使MOS集成电路的集成度得到很大提高。

微电子学概论复习(知识点总结)

第一章绪论1.画出集成电路设计与制造的主要流程框架。

2.集成电路分类情况如何？答：3.微电子学的特点是什么？答：微电子学：电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。

微电子学中的空间尺度通常是以微米(μm, 1μm ＝10－6m)和纳米(nm, 1nm = 10-9m)为单位的。

微电子学是信息领域的重要基础学科微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧按应用领域分类数字模拟混合电路非线性电路线性电路模拟电路时序逻辑电路组合逻辑电路数字电路按功能分类GSI ULSI VLSI LSI MSI SSI 按规模分类薄膜混合集成电路厚膜混合集成电路混合集成电路BiCMOS BiMOS 型BiMOS CMOS NMOS PMOS 型MOS 双极型单片集成电路按结构分类集成电路机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等第二章半导体物理和器件物理基础1.什么是半导体？特点、常用半导体材料答：什么是半导体？金属：电导率106～104(W∙cm-1)，不含禁带；半导体：电导率104~10-10(W∙cm-1)，含禁带；绝缘体：电导率<10-10(W∙cm-1)，禁带较宽；半导体的特点：（1）电导率随温度上升而指数上升；（2）杂质的种类和数量决定其电导率；（3）可以实现非均匀掺杂；（4）光辐照、高能电子注入、电场和磁场等影响其电导率；半导体有元素半导体，如：Si、Ge（锗）化合物半导体，如：GaAs（砷化镓）、InP （磷化铟）硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产业用量最大、也是最重要的半导体材料。

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OUTLI IC EDA系N统概E 述
高层级描述与模拟—VHDL及模拟
综合逻辑模拟电路模拟时序分析和混合模拟版图设计的EDA工具器件模拟工艺模拟计算机辅助测试（CAT）技术
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逻辑模拟
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逻辑模拟
❖ 逻辑模拟的主要作用：验证逻辑功能和时序的正确性
集成电路设计的EDA系统
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集成电路设计结构
•Specification •Behavior •Register-transfer •Logic •Circuit •Layout
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集成电路设计流程
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OUTLI IC EDA系N统E概述
高层级描述与模拟—VHDL及模拟综合逻辑模拟电路模拟时序分析和混合模拟版图设计的EDA工具器件模拟工艺模拟计算机辅助测试（CAT）技术
什么是逻辑功能？输入和输出之间的逻辑关系，不考虑与时间的关系。
什么是时序？考虑与时间的关系，输入和输出之间与时间有关系
组合逻辑和时序逻辑
➢ 组合逻辑：输出只决定于同一时刻各输入状态的组合，与以前状态无关
特点：输入与输出间无反馈途径；电路中无记忆单元 ➢ 时序逻辑：输出与输入状态有关，还与系统原先状态有关
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硬件描述语言
Hardware Description Language, HDL
HDL出现的背景复杂电子系统难以用逻辑图、电路图和逻辑表达式
等描述，希望有更加简练、使用top-down设计方法的描述，因此出现了多种HDL语言。
通常指高层设计阶段描述硬件
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HDL语言的特点
❖ 基本概念：将逻辑设计输入到计算机，用软件方法形成硬件的模型，给定输入波形，利用模型算出各节点和输出端的波形，判断是否正确
❖ 逻辑模拟的基本概念：
➢ 将逻辑设计输入到计算机，用软件方法形成硬件的模型
➢ 给定输入信号波形，利用模型算出各节点和输出端的波形，判断是否正确
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❖ 几个概念
Verilog
作为逻辑模拟软件的输入语言而开发的。描述能力没有VHDL强，但结构化语言，程序库丰富。应用广泛。
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系统功能设计的EDA技术
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OUTLI IC EDA系N统概E 述
高层级描述与模拟—VHDL及模拟
综合逻辑模拟电路模拟时序分析和混合模拟版图设计的EDA工具器件模拟工艺模拟计算机辅助测试（CAT）技术
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RTL两级映射：高级综合和逻辑综合之间的桥梁
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逻辑设计的ED给定的逻辑功能和性能要求，在一
个包含许多结构、功能、性能已知的逻辑元件的逻辑单元库支持下，确定出由一定逻辑单元组成的逻辑结构
❖ 输入：逻辑设计描述；输出：逻辑网表或逻辑图
数据通道和控制部分（RTL级网表）模拟验证
RTL两级工艺映射
逻工艺相关的结构
辑综
逻辑图自动生成
合逻辑图模拟验证
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工艺映射
通过高级综合，已知工艺无关的RTL结构描述、目标工艺及一组设计约束，在满足设计约束条件下，在物理域上实现同一层次的结构描述，实现与工艺相关的RTL结构描述。（不丢结构信息，增加工艺数据）
❖ ICEDA系统介入了包括系统功能设计、逻辑和电路设计以及版图设计等在内的集成电路设计的各个环节
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OUTLI IC EDA系N统概E 述
高层级描述与模拟—VHDL及模拟
综合逻辑模拟电路模拟时序分析和混合模拟版图设计的EDA工具器件模拟工艺模拟计算机辅助测试（CAT）技术
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综合
❖ 概念：从设计的高层次向低层次转换的过程，是一种自动设计的过程；一种专家系统
分类（根据设计层次）：
高级综合(算法级综合)：从算法级到寄存器传输级
逻辑综合(RTL级综合、行为综合)：从寄存器传输级到逻辑级
物理综合：逻辑图或电路图到版图，严格说应该是同
级驱动
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高级综合
➢抽象地对电子实体进行精确、简练的行为描述和结构描述 ➢可在不同层次上，形成用于模拟和验证的设计描述 ➢多层次混合描述 ➢ 既可被模拟，又可被综合
出现多种HDL语言，为便于信息交换和维护，出现工业标准
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几种主要的硬件描述语言
VHDL
美国国防部开发。在不同的抽象程度上描述各种不同层次的电子系统。支持行为级、RTL级、门级设计。即可作为硬件动作的描述，又可作为功能模拟或逻辑综合的输入。
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IC EDA系统概述
EDA（Electronic Design Automation）电子设计自动化；Computer Aided
Design，CAD EDA的目的
运用计算机辅助设计，建立起完整的电子系统设计、分析、模拟、仿真、综合等手段，以使整个电子系统的设计能够在计算机平台上自动运行。
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IC EDA系统的作用
什么是模拟？对于设计输入抽象出模型，施加外部激励，观察输
出，进行判断
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IC EDA系统的发展
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IC设计中的EDA系统
❖ 整个设计过程就是把高层次的抽象描述逐级向下进行综合、验证、实现，直到物理级的低层次描述，即掩膜版图。
❖ 各设计阶段相互联系，例如，寄存器传输级描述是逻辑综合的输入，逻辑综合的输出又可以是逻辑模拟和自动版图设计的输入，版图设计的结果则是版图验证的输入。
将设计的算法级描述转换为RTL级描述
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高级综合
❖ 核心：分配（ALLOCATION）和调度（SCHEDULING）
分配：给定性能、面积/功耗条件下，确定硬件资源：执行单元、存储器、控制器、总线等，产生数据通道
调度：确定这些结构的操作次序
❖ 根据控制流图和调度中产生的状态信息，利用传统的RTL/逻辑综合技术综合出控制器部分
❖ 目标：找到代价最小的硬件结构，使性能最佳
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❖ 综合中的优化问题：资源共享、连接优化、时钟分配等
优化目标：面积、速度、功耗、可测试性
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行为模拟验证
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综合过程
输入的行为描述编译（VHDL，Verilog）
高
级
综中间数据结构
合
数据流综合子系统、控制流综合子系统