集成电路概述

集成电路概述摘要随着摩尔定律的不断推进，集成电路迎来了巨大的发展机遇期。本文介绍了集成电路产业在我国的发展现状。主要介绍了集成电路设计的分类：数字集成电路设计和模拟集成电路设计。数字集成电路设计主要介绍了系统架构、寄存器传输级设计、设计验证、综合优化、布局布线、版图设计。模拟集成电路设计主要介绍了系统定义、电路设计、电路模拟、版图实现、物理验证、前后仿真。1、国内外发展现状集成电路顾名思义就是把一定数量的常用的电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。自1958年杰克•基尔比完成第一个集成电路的雏形以来，经过半个多世纪的发展，它已经成为现代社会的基石，深刻地影响了我们的方方面面。小到手机电脑，大到卫星火箭，集成电路无处不在。目前我国集成电路制造业经过数十年的发展，已经构筑了北京、上海、无锡等产业发展基地。2000年后随着国际半导体产业的转移，以及十一五至今实施的重大科技专项使我国的集成电路的得到了质的变化，实现了快速增长。2016年上半年我国集成电路产业的销售额达到了1847.1亿元，同比增长16.1％[1]。我国虽然发展如此迅速，但是和国际先进水平比的话，差距仍然很大。近三年我国的集成电路进口均突破2000亿美元，是我国的第一大进口商品。受西方国家对集成电路技术出口的限制，我国集成电路芯片制造技术始终落后于国际先进水平2到3个技术节点。在核心产品方面，微处理器（CPU）、存储器、可编程逻辑阵列器件（FPGA)、数字信号处理器（DSP）等大宗产品虽然有所突破，但没有进入主流市场，产品性能和国际先进水平差距十分巨大。我国集成电路企业在全球地位有所上升，一批企业进入2015年全球十强。在集成电路设计企业中，华为海思在2015年的全球十大集成电路设计企业中排名第6位，清华紫光展讯排名第10位。在晶圆代工企业中，中芯国际在全球晶圆代工企业排名第5位，华虹宏力排名第10位。在封测领域中，长电科技进入全球封测企业排名第4位，华天科技进入全球封测企业排名第9位[2]。2、集成电路分类集成电路设计根据处理信号的不同可以分为数字集成电路和模拟集成电路。数字集成电路是由许多的逻辑门组成的复杂电路。与模拟电路相比，它主要进行数字信号的处理，因此抗干扰能力较强。数字集成电路设计中运用的典型抽象层次依次为器件、电路、门、功能模块和系统[3]。与数字集成电路相对应的是模拟集成电路，它处理的一般是连续信号。模拟集成电路包括运算放大器、线性整流器、锁相环、振荡电路、有源滤波器等。相较数字集成电路设计，模拟集成电路设计与半导体器件的物理性质有着更大的关联，例如其增益、电路匹配、功率耗散以及阻抗等等。通过模拟数字转换器、数字模拟转换器，数字电路可以和模拟电路互相连接。2.1、数字集成电路数字电路设计是一门不断发展的学科，设计过程较为复杂。就设计方法而言，可以划分为同步设计和异步设计。同步设计中主要存储器件是触发器。异步设计中存储单元一般为锁存器。目前，市场上绝大多数字电路的设计都采用同步电路的设计方法，该设计方法已较为成熟。同时随着频率、功耗等方面的需求，异步设计开始不断走进人们的视线。下面介绍一下数字集成电路设计的一般流程。随着技术的发展，数字集成电路已经有了较为完整的体系，主要包括了系统架构、寄存器传输级设计、设计验证、综合、布局布线、版图设计等几个方面[4]。系统架构是整个设计过程中最基础的环节。在这一环节中，需要确定整个系统的架构，需要对模块进行划分，需要规定各个模块的功能，还需要定义接口，并对整个系统的性能进行评估。在系统验证阶段，通常对整个系统进行行为级的描述，并对其仿真验证，用以判断整个架构的合理性，若涉及算法，也可验证算法的可行性。一个好的系统架构通常会给整个设计带来极大便利。寄存器传输级（RTL）设计是数字电路设计中的核心环节。在这一阶段，主要工作是利用硬件描述语言来描述数字集成电路的信号储存以及信号在寄存器、存储器、组合逻辑装置和总线等逻辑单元之间传输的情况。在设计寄存器传输级代码时，设计人员会将系统定义转换为寄存器传输级的描述。设计人员在这一抽象层次最常使用的两种硬件描述语言是Verilog、VHDL，二者分别于1995年和1987年由电气电子工程师学会（IEEE）标准化。设计人员完成寄存器传输级设计之后，会利用测试平台、断言等方式来进行功能验证，检验项目设计是否与之前的功能定义相符，如果有误，则需要检测之前设计文件中存在的漏洞。现代超大规模集成电路的整个设计过程中，验证所需的时间和精力越来越多，甚至都超过了寄存器传输级设计本身，人们甚至专门针对验证开发了新的工具和语言[5]。综合是一个很重要的步骤，综合指的是将较高层次的设计描述自动转化位较低层次描述的过程。其主要有3种形式：将算法表示、行为描述转换到RTL，即从行为描述到结构描述，称为行为综合；RTL级描述转换到逻辑门级，称为逻辑综合；将逻辑门表示转换到版图表示，或转换到PLD器件的配置网表表示，称为版图综合或结构综合[6]。相比于模拟电路，数字电路布局布线比较智能。一般芯片制造方会提供一个基准单元库，基准单元库里包含了各个单元的逻辑功能信息、延时信息以及版图信息。很多EDA软件可以根据相应约束、门级网表以及相应的工艺信息进行自动布局布线，尤其是对于大规模的数字系统的设计，相应的EDA软件给设计人员带来了极大方便。布局布线完成后，能够生成一个描述了电路布局布线后版图信息的文件，结合工艺厂商提供的基准单元，即可生成具体的版图。然后进行DRC、LVS，通过验证后即可认为设计完成，可以交付代工厂加工制造芯片。2.2、模拟集成电路在计算机辅助设计方法出来之前，模拟集成电路完全采用人工设计的方法。由于人处理复杂问题的能力有限，因此当时的模拟集成电路通常是较为基本的电路，如运算放大器。随着技术的进步，基于计算机辅助设计的电路仿真工具能够适应更加复杂的现代集成电路。尽管如此，相对数字集成电路，模拟集成电路的设计对工程师的经验、权衡矛盾等方面的能力要求更严格。在模拟集成电路设计中有一个著名的“八边形法则”，即噪声、线性、增益、电源电压、电压摆幅、速率、输入/输出阻抗、功耗8种参数相互折衷相互制约[7]。与传统手工设计模拟电路采用自下而上设计方法不同,模拟集成电路CAD平台努力面向从上到下的设计方法[8]。它一般分为系统定义、电路设计、电路模拟、版图实现、物理验证、前后仿真等几个阶段。在系统定义阶段，系统工程师把整个系统和其子系统看成是一个个只有输入输出关系的“黑盒子”，不仅要对其中每一个进行功能定义，而且还要提出时序、功耗、面积、信噪比等性能参数的范围要求。接下来是电路设计，在这个阶段，工程师根据设计要求，首先要选择合适的工艺制程、合理的构架系统，并依照架构来决定元件的组合，例如，电流镜类型还是补偿类型，根据交、直流参数决定晶体管工作偏置点和晶体管大小，依环境估计负载形态和负载值。设计好电路之后，工程师必须确认设计是正确的，为此要基于晶体管模型,借助EDA工具进行电路性能的评估、分析。在这个阶段要依据电路仿真结果来修改晶体管参数，依制程参数的变异来确定电路工作的区间和限制，验证环境因素的变化对电路性能的影响，最后还要通过仿真结果指导下一步的版图实现。电路的设计及模拟决定电路的组成及相关参数，但并不能直接送往晶圆代工厂进行制作。设计工程师需提供集成电路的物理几何描述即版图。这个环节就是要把设计的电路转换为图形描述格式。模拟集成电路通常是以全定制方法进行手工的版图设计。在设计过程中需要考虑设计规则、匹配性、噪声、串扰、寄生效应、防门锁等对电路性能和可制造性的影响。虽然现在出现了许多高级的全定制辅助设计方法，仍然无法保证对版图布局和各种效应的考虑全面性。物理验证阶段通过设计规则检查，版图网表与电路原理图的比对，确保版图可以交到工厂制造。几何规则检查用于保证版图在工艺上的可实现性。它以给定的设计规则为标准，对最小线宽、最小图形间距、孔尺寸、栅和源漏区的最小交叠面积等工艺限制进行检查。版图网表与电路原理图的比对用来保证版图的设计与其电路设计的匹配。在版图完成之前的电路模拟都是比较理想的仿真，不包含来自版图中的寄生参数,被称为“前仿真”。加入版图中的寄生信息进行的仿真被称为“后仿真”。模拟集成电路相对数字集成电路来说对寄生参数更加敏感,前仿真的结果满足设计要求并不代表后仿真也能满足。在深亚微米阶段,寄生效应愈加明显,后仿真分析显得尤为重要。与前仿真一样,当结果不满足要求时需要修改晶体管参数，甚至某些地方的结构。对于高性能的设计，这个过程是需要进行多次反复，直至后仿真满足系统的设计要求[9]。当仿真满足要求后，就可以进行生产制造了，但初期的产品要先进行测试，检测产品性能是否达标，是否有瑕疵。当产品功能完全符合设计指标后，就可以进入量产阶段。3、总结目前，在国际上集成电路产业已经属于成熟产业，无论数字还是模拟，所划分的领域已经很精细，集成电路设计流程，远没有我所介绍的那么简单，每个步骤还可以接着划分。对于这些流程，每个步骤几乎都需要专门的工程师，例如系统工程师、数字前端工程师、版图设计工程师等。因此，在现代的集成电路中，单单靠一个人是无法完成芯片的设计工作的，所以需要大量的人才。现在集成电路产业在我国受到极大的重视，在2014年出台国家集成电路产业发展推进纲要。纲要中提出成立国家产业投资基金、加大金融支持力度、强化企业创新能力建设以及加大人才培养及引进力度等措施[10]。虽然我国的集成电路产业相对于发达国家比较落后，但是我相信在国家的大力支持下，我们一定可以达到国际先进水平。参考文献[1]魏少军.面对中国发展集成电路产业的挑战[J].集成电路应用,2016,33(9):4-9.[2]于燮康.2016年中国集成电路制造业面临的问题与挑战[J].集成电路应用,2016,33(10).[3]王金明,冷自强.EDA技术与Verilog设计[M].科学出版社,2008.[4]申明星,张凯,金振强.数字集成电路设计方法的论述[J].通讯世界,2016(4):197-198.[5]孔德立.数字集成电路设计方法的研究[D].西安电子科技大学,2012.[6]JanM.Rabaey,拉巴伊,周润德.数字集成电路:电路、系统与设计[M].电子工业出版社,2004.[7]毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].西安交通大学出版社,2013.[8]代扬.模拟集成电路自动化设计方法的研究[D].湖南大学,2004.[9]张红莉.模拟集成电路设计方法学及模拟IP设计技术的研究[D].合肥工业大学,2005.[10]佚名.国家集成电路产业发展推进纲要[J].中国集成电路,2014,23(7):14-16.