微电子第六章 集成电路计算机辅助设计

第六章集成电路计算机辅助设计6.1计算机辅助设计的基本概念6.2电路和系统的设计描述6.3电路模拟6.4计算机辅助版图设计6.5工艺模拟和器件模拟6.6数字集成电路和系统的CAD6.7模拟集成电路的CAD6.8统计模拟和优化设计第六章集成电路计算机辅助设计本章介绍集成电路计算机辅助设计(ICCAD)的基本概念、CAD系统的构成及主要CAD软件的基本工作原理，并具体介绍几种可在微机系统上运行的ICCAD软件的功能和使用实例。最后讨论模拟集成电路设计中采CAD技术的有关问题，并说明集成电路版图数据通用格式CIF的具体现定。6.1.1计算机辅助设计（CAD)和设计自动化(DA)集成电路设计包括电路设计和版图设计两方面的工作。在集成电路发展初期．集成电路的全部设计工作都是由人工直接进行的。但是，到20世纪70年代，随着集成电路发展到大规模(LSI)阶段，由人工完成全部设计任务已经很困难甚至不可能了，因此在集成电路设计中引入了计算机术。在开始阶段，主要利用计算机进行设计验证、图形处理和数据处理等方面的工作。随着计算机技术的发展，目前在集成电路设计的各方面均不同程度地采用了计算机技术。6.1.1计算机辅助设计（CAD)和设计自动化(DA)1设计自动化[DA]如果计算机能根据集成电路的设计指标要求，自动完成电路设计和版图设计任务，就称之为设计自动化(DesignAutomation)。2计算机辅助设计[CAD]目前在集成电路的设计领域内，只对个别的情况，例如采用可编程逻辑阵列(PLA)结构实现的集成电路，做到了设计自动化。大部分集成电路设计中，要由“人”为主导，同时需借助于计算机帮助入工迅速而准确地完成设计任务。6.1.2CAD技术的优点(a)减轻人工劳动，缩短设计周期：在集成电路版图设计中要绘制、修改版图并要处理大量数据。(b)保证设计的正确性：用手工方法绘版图和统计坐标数据时，在几十万甚至几百万个矩形图形和坐标数据中山现个别错误几乎是不可避免的。(c)提高设计质量、节省设计费用：采用CAD技术可以不必经过投片，而在线路设计阶段可对不同方案进行计算机模拟分析，选取出较好的方案，并进而对择优选用的电路进行灵敏度分桥、容差分析和中心值优化设计，在提高设计质量的同时又节省了研制费用。6.1.2CAD技术的优点(d)是VLSI设计中不可缺少的工具：随着集成电路发展到VLSI阶段，离开CAD技术就无法完成设计任务。以内部规则性最强的存储器电路为例，16Mb的RAM电路含有约4500万个晶体管。显然，不用CAD技术面完全靠人根本无法完成VLSI的设计。(e)促进集成化技术的普及：在使集成电路的设计工作跳出半导体专业人员的范围，为广大线路工作者都能掌握的进程中，CAD技术起了关键作用。6.1.3集成电路正向CAD过程主要包括5各部分的工作6.1.3集成电路正向CAD过程1电路设计“电路设计”一般包括4方面工作。(a)系统设计：根据用户对电路功能和性能指标的要求，确定总体设计方案．给出框图，并进而将总体要求分解为对每一组成部分的功能和性能指标要求。(b)逻辑设计；对数字系统，完成系统设计后，需要确定出总体设计方案中每一部分的具体逻辑组成。如果某些部分是一些具有某种逻辑功能的“标推”功能块，这些部分就无需重新设计，可直接调用已有结果。(c)线路设计：确定每一逻辑单元的具体线路组成。包括设计线路的拓扑结构和线路中各元器件参数值，也可以直接调用已有的“标推”单元线路。对模拟集成电路，总体设计完成后就直接近行每一部分的线路设计。(d)设计校验：一般情况下，出于多种因素的影响，由人工进行的上述三个层次设计很难做到完全正确和满足要求。为此，需要采用计算机进行模拟分析。检验设计出的电路是否具有预定的功能，特性参数是否满足指标要求。根据模拟对象的不同，设计校验分为逻辑模拟和电路模拟两种类型。6.1.3集成电路正向CAD过程2版图设计包括下述三方面工作。(1)版图生成对数字电路，目前已有不少版图白动设计软件。但是对模拟集成电路，基本还要依靠手工设计，即调用版图设计软件中的版图绘制模块，由设计人员以人机交互方式完成版图的绘制。(2)版图校验为了保证生成的版图“正确无误”，一般需要进行下述3方面校验工作。(a)设计规则校验(DRC：DesignRulescheck)：检查版图几何尺寸是否违背生产工艺要求；(b)电学规则检验(ERC：ElectricRulescheck)：检查版图连接关系是否违背常规电学准则；(c)版图与电路连接一致性(LVS：LaoyoutVerseSchematic)校验中各个元器件之间的互连关系是否与电路图中的完全一致。(3)版图数据生成6.1.3集成电路正向CAD过程3.测试码生成生成了版图数据带以后就可以直接交由集成电路生产厂家加工成集成电路产品。为了检查生产出的产品是否满足预定要求，并在有问题时能查找出电路内部的故障位置，需要有能够完成这两类工作的测试码。因此，在完成逻辑和电路设计时还需要生成测试码。4.器件模型参数的确定进行逻辑模拟和电路模拟时，一方面要给计算机提供电路的拓扑结构，同时还要输入各个数字单元和元器件的参数值。显然，模拟结果的精确程度取决于程序中采用的元器件模型精度以及模型中的参数值是否代表了以后生产出的集成电路中的实际情况。选用器件模型时应同时考虑需要和可能。6.1.4ICCAD系统1.ICCAD软件工具在正向设计过程中采用的ICCAD系统应包括下述4大类软件工具。(a)设计工具：指在不同阶段帮助设计者完成设计任务的软件，如系统综合、逻辑综合、版图布局布线、模块自动生成等。(b)模拟验证工具：用于设计过程中帮助设计考验证其设计的正确性。这方面软件有逻辑模拟、电路模拟、设计规则校验、电学规则检查等。(c)设计方案输入和数据管理工具：如径件描述与编译、逻辑和电路图输入、版图编辑、版图数据生成和后处理、可测性分析和测试码生成、CAD数据库等。(d)专用ICCAD软件：这是一些针对特定设计对象开发的软件。例如，对于可编程逻辑器件(PLD)已有实用的专用软件。6.1.4ICCAD系统2ICCAD硬件环境在20世纪70年代中期CAD发展的早期阶段．开发的ICCAD软件都是在小型以上级别的通用计算机(如VAX750)上运行的。到80年代初期，出现了专用的工作站。在开始阶段，工作站主要用于版图设计(编辑)和数据处理。随后很快出现了可在工作站上运行的比较完整的IICCAD软件系。80年代末期，随着计算机技术的发展，使得个人微机系统上也可运行ICCAD软件。当然，他们与工作站上的ICCAD系统相比，在软件类型、功能和规模方面都有一定的差距，但是采用微机和工作站上ICCAD软件设计集成电路时，设计思路和设计方法是一致的，而且在微机上运行的ICCAD软件也能满足一般规模IC设计的需要，特别适合于学校教学，在普及推广ICCAD技术方面更具有明显的优点。6.1.4ICCAD系统为了发展我国ICCAD技术，国家组织有关高校和科研单位开发了可以在工作站和微机系统上运行的ICCAD软件，称为熊猫(Panda)系统。这是一个面向全定制超大规模集成电路设计的CAD系统。可支持用户进行IC设计的全过程。Cadence,Mentorgraphics,Viewlogic,Synopsys等6.1.4ICCAD系统6.1.5集成电路的逆向设计首先解剖样品，去掉封装，暴露管芯，接着进行显微照相或用高精度图像摄取管芯表面拓扑图，得到集成电路样品的版图设计信息，进而提取逻辑和电路结构，分析功能，获取原始设计思想。6.2.1电路和系统设计的描述根据电路系统的类型、规模以及采用的CAD软件，通常采用下述3种不同方法描述电路系统设计方案，并将其送入计算机。1电路连接网表文件电连接网表文件是一种采用规定的格式描述电路拓扑连接关系以及每个元器件参数值的文本文件。6.2.1电路和系统设计的描述2.电路图计篡机辅助绘制采用规定的格式编写电连接网表文件既烦琐又容易出错，对规模较大的电路，这一问题更加突出。为此，目前出现了不少电路图设计软件。调用这种软件绘制电路图后，经过配套模块的后处理，就可以自动生成满足不同格式要求的电连接网表文件。3.设计描述语言对于规模较大的电路系统。特别是数字电路系统，为了加速设计进程，可以采用称为硬件描述语言(HDL：HardwareDescriptionLanguage)的特定格式语言，描述电路系统的硬件结构和特性，而不需要描述电路的具体结构。这种语言又叫逻辑设计语言。目前普遍采用的硬件描述语言有VHDL和verilogHDL。6.2.2OrCAD／CaptureCIS软件Cadence公司是国际上著名的工作站平台上集成电路设计软件开发公司，目前又与OrCAD公司合并．推出了在微机上运行的电路设计软件包Cadence／OrCAD。该软件包包括电路图设计、电路模拟和PCB设计三个软件。其中的CaPtureCIS是电路图设计软件。在调用Pspice软件进行电路模拟前，需要先运行CaPtureCIS软件，生成电路设计原理图。6.2.2OrCAD／CaptureCIS软件1.CaptureCIS软件的构成6.2.2OrCAD／CaptureCIS软件2.设计项目管理模块（ProjectManager）OrCAD软件包对电路设计实施项目管理。ProjectManager不但管理电路图的绘制，还处理电路图与电路模拟软件OrCAD/Pspice之间的接口和数据交换，管理各种设计资源和文件。绘制好电路图后，可以在同一个运行环境下自动生成电连接网表文件并直接调用PsPice软件，对电路进行模拟分析。6.2.3电路图绘制模块PageEditCaptureCIS的基本功能是生成各种类型的电路设计原理图，这一任务是由绘图模块PageEdit完成的。1．Capture支持的电路图结构类型(a)单页图纸结构(OnePageDesign)：若所绘电路图规模不大，可将整个电路图绘制在同一张图纸中，这种电路图称为单页图纸结构。(b)拼接式电路因设计(FlatDesigns)：如果电路图规模较大，可以将整个电路图分为几个部分，每个部分用一张图纸绘制，各张图纸之间的电连接关系用端口连接器表示。(c)分层式电路图设计(HierarchicalDesigns)；6.2.3电路图绘制模块PageEdit2.绘图模块PageEdit窗口和命令调用电路固绘制软件Capture后.屏幕上出现的绘图模块PageEdit窗口如图6．6所示。其中File(文件处理)、Edit(编辑)、view(视图)、Macro(宏)、Option(选项设置)、windows(窗口处理)以及HelP(帮助)几条命令与一般应用软件中的相似。Accessories作为第三方开发软件的接口。在电路图设计过程中，最关键的是Place和PSpice两条命令。6.2.3电路图绘制模块PageEdit(1)绘图命令PLace(2)模拟软件调用Pspice6.2.4电路设计的后处理软件6.2.3元器件符号库和建库模块（PartEditor）1Capture软件中的元器件符号库CaptureCIS软件的元器件符号库文件存放在Library路径下的各个子目录中(见图6．9)，提供有从电阻、电容直到CPU等各种元器件符号，供绘制电路图调用。6.2.3元器件符号库和建库模块（PartEditor）2.元器件符号编辑模块PartEditor3.元器件管理系统CIS可以随时更新元器件库6.2.6元器件符号标准例如图6.10所示的7400与非门符号只是说明该符号是一个“亦非门”，它与7401、7426、7437、74132等具有其他特点的与非门采用的符号图形完全相同从符号本身看不出它们之间的区别。6.2.6元器件符号标准2.标准符号与“习惯”符号的主要区别元器件符号国家标准与国际电工委员会标准等效，也与现行的美国相应标准一致。但与习惯用法以Capture符号库的内容相比差别较大。下面列出3点主要差别。（1）符号不同6.2