专用集成电路设计课件.ppt

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1、第九章专用集成电路设计9.1引言集成电路，包括通用电路和专用电路，传统的制造方法都是人工完成版图设计后流片生产，这种方式又称为全定制电路的设计和生产。全定制电路的设计从系统设计开始到版图设计结束，这是电子系统的全程设计。在晶体管级和版图级后端设计中，通过对晶体管级电路和布局线的优化设计，可以使最后的设计结果速度快、占用芯片面积小、可靠性高，芯片的性能指标一般要高于在PLD上实现的系统。然而，全程设计的投资大、时间长，因此只有那些市场需求量大的IC，才考虑采用全定制方式设计和生产。目前，为了提高设计的成功率，即使是全定制设计，也并非在全程设计完成后立

2、即流片生产，而是将设计实现分成两个阶段进行。当前端设计和仿真全部结束后，首先将设计结果用HDPLD实现，以验证系统的实际性能。当确认设计结果已达到所要求的性能指标后，再进行后端设计，组织流片生产。全定制电路（包括通用电路和ASIC）的设计，可以采用随机逻辑设计、阵列逻辑设计和标准单元设计等方式。所谓随机逻辑是指数字逻辑设计的一种具体形式，在这种设计方式中，按具体的设计要求把一些中小规模逻辑电路布局在版图范围以内，并把它们连接起来。由于逻辑功能需要的多样性和这些逻辑电路在版图上布局的不规则性，使得电路的逻辑结构及连线呈现随机性。通常认为这种设计具有硅

3、片利用率高，运算速度快的优点。随机逻辑设计体现设计者的个性，一个有经验的设计者，可以获得良好的设计效果。由于随机逻辑的非规则性，各功能电路和元件的版图都需要单独设计，因此，版图设计周期长，改型困难。9.2门阵列和门海阵列设计阵列逻辑是结构化逻辑设计中广泛采用的电路形式，目前广泛采用的阵列形式有PLA门阵列和门海阵列等。IO焊盘块单元行单元布线区门阵列9.2.1门阵列设计门阵列是在一个芯片上把门电路排成阵列形式，门电路的构成是两对或三对共栅或不共栅的P型晶体管和N型晶体管，称为基本单元。共栅四管单元电路及其版图不共栅四管单元电路及版图对于一些标准的逻

4、辑门，如与非门、或非门、触发器等，可事先将若干个基本单元用确定的连线连接起来，构成“宏单元”，这样可以加快门阵列的设计过程。因为这时只需对“宏单元”进行布局，并在宏单元之间布线。布线通道是门阵列芯片的重要组成部分。门阵列设计的芯片面积利用率比较低。9.2.2门海阵列门海阵列（Sea-of-Gate，简称为SOG）是为了克服门阵列芯片面积利用率低的缺点而提出的一种阵列结构。为了充分利用芯片的面积，将门阵列中的布线通道去掉，用基本单元占据整个阵列分布区。IO焊盘无专门布线通道的有源区9.2.3门阵列和门海阵列的设计流程利用门阵列和门海阵列设计ASIC，

5、虽然在后端设计中不需要设计全套掩膜，但还是需要完成2~4块掩膜版的设计，因此，后端设计和后仿真工作仍需完成。一般，在用门阵列或门海阵列实现之前，都已经用PLD器件作了样机试验，因此，可以利用PLD的设计结果，转换到门阵列或门海阵列上。门阵列（包括门海阵列）的电路结构简单，单元规则化，设计比较容易。而且其集成密度、功耗、速度和可靠性等特性都可与全定制电路相媲美。同时，计人员并不需要了解很多版图设计知识，大大便利了用户的设计工作。9.3标准单元设计标准单元法设计是一种常用的集成电路设计方法。所谓标准单元，是指预先设计完毕并存放在单元库中的元件，这些元件

6、在逻辑功能层次和版图层次都经过优化和标准化设计，标准单元的逻辑符号及电学特性存入逻辑库中，版图则存入版图库。标准单元设计，就是在设计中用图形或硬件描述语言调用库元件，在布局布线阶段，这些库元件的版图也被EDA工具所调用，进行自动布局和布线。单元库中的每个单元都具有3种描述方式：①单元的逻辑符号（以字母L为特征符），②单元的拓扑版图（以字母O为特征符），③单元的掩膜版图（以字母A为特征符）。反相器单元反相器的逻辑符号反相器的拓扑图反相器的掩膜版图标准单元设计的版图布置单元库一般包括有下列元件：小规模逻辑电路中规模逻辑电路各种宏单元模块IP核为了便于布

7、局和布线，SSI和MSI标准单元的版图都被设计成矩形状，版图的高度相近或相等，但宽度可以不同。功能模块宏单元宏单元9.4设计检验对于ASIC的设计，当前端设计完成以后，还必须进行版图级的设计，因此，还应进行后端设计的检验，即版图验证和后仿真。版图验证包括设计规则检查（DRC），电学规则检查（ERC）和版图-原理图一致性检查（LVS）。版图验证的内容是针对版图设计中可能出现的几类设计错误确定的，这几种设计错误是几何设计错误，电气设计错误和拓扑错误（布局和连线错误）。9.4.1设计规则检查（DRC）设计规则检查之前，要进行大量几何图形的运算（GOA），

8、包括算术运算、逻辑运算和拓扑运算，以获得版图几何图形的相关数据。图形的算术运算求得几何图形的长、宽、间距、面积等数据；拓扑