ASIC设计流程.doc

1 第一章 ASIC 设计流程介绍 引言( Introduction ) 在过去的几十年里, 微电子技术已经逐渐成熟起来。以前很长一段时间里需要通过印刷电路版( PCB ) 实现的系统现在已经可以集成在一个芯片上。随着集成电路设计制造技术的快速发展, 系统芯片( SOC ) 正在成为现实。在 SOC 和其它半导体电路中有一个重要的部分—专用集成电路( ASIC ), 它是一种用来完成某种特定功能的专用电路模块或者整块芯片。例如, 我们在 PC 或者大量的多媒体设备中使用的视频译码器就可以做成一块 ASI C 芯片。这些芯片除了要具备一定的性能外,在尺寸、耗电量、发热量和成本方面也比一般的 IC 部件要求更高。由于成本和性能上的优势, 从消费电子到空间技术领域, ASIC 和具备 ASIC 模块的半导体芯片都得到了非常广泛的应用。从传统意义上来说,设计 ASIC 是一项漫长而又乏味的工作,因为在设计过程中存在各种不同的步骤。同时它也是一项耗费巨大的工作, 因为每一个 ASIC 芯片都包含了上万的 IC 部件, 制造它们需要很高的成本。近年来, ASIC 的使用越来越多,上述情况也得到了改善,这要归功于鲁棒性设计方法和自动电路综合工具在芯片设计过程中的普遍应用。这些自动综合工具能够帮助设计者完成从高层次的设计描述直到最后的芯片布图和掩模阶段的工作。伴随着半导体芯片市场的不断扩大,这些发展最终导致了 ASIC 芯片和集成了 ASIC 模块的芯片的需求迅速上升。 ASIC 的设计制造工序繁多,包括产品的概念定性、设计和综合、验证以及测试等等。一旦产品的性能要求确定下来以后, 我们就需要完成从高层次设计, 电路综合一直到最低层次细节设计的工作。为了确保没有错误发生, 以及产品的性能要求能够得到满足, 我们也需要在设计过程的每一阶段进行功能验证和校正。这里的测试指的是制造测试, 包括检查芯片是否在制造时存在缺陷。这是一个比较复杂的问题, 因为对于一块制造出来的芯片来说, 很难控制和观察它的内部连线, 而且修复它实际上也是不可能的。同时, 半导体芯片的大规模生产要求测试过程在很短的时间内完成(一般小于一秒) 。因此,我们需要开发出一种可以在最短时间内检查芯片功能的方法。在这一章,我们主要研究 ASIC 的设计问题以及它们同 ASIC 的其它方面(易测性、功耗优化等)的关系, 并着重讨论设计流程、设计方法、综合和物理设计方面的问题,以及与此相关的计算机辅助设计( CAD )工具。本章接下来的小节将以如下的方式编排——第二节介绍设计方案和 ASIC 设计方法。第三节简要描述了设计流程以及设计流程中的分层和设计抽象。余下的小节讲述体系结构设计, 逻辑综合和物理设计, 每节的重要概念都将通过示例来说明。 设计风格( Design Styles ) ASIC 设计是从最初的对所需 IC 部件的概念确定开始的。在产品的概念化阶段, 决定最适合这款芯片的设计风格( Design Style ) 是很重要的。所谓设计风格指的是为实现系统所采用的具有特定的工艺和技术的广义设计方法。特别的,设计风格决定了特定的设计步骤以及制造 ASIC 部件所用的元件库。一般来说,设计风格是由设计的经济因素决定的,也就是说,它是性能、价格以及产量等的折衷。对于应用于国防系统和空间技术的芯片,尽管它们的产量很低,但是相对于较短的研发周期,以及高性能高稳定性而言,成本因素就可以放在次要的位置; 而对于消费电子类芯片来说,高的产量能够弥补高成本带来的不足。设计风格可以大致分为定制设计与半定制设计。定制设计, 顾名思义, 就是指为了最大可能地优化芯片性能或面积而对电路进行的纯手工的设计。尽管从人力物力上来讲这是一种耗费高的设计方案, 但是它可以设计出高质量的电路,而且成本也可以因为大规模生产而有所降低。半定制设计常常复用以前设计过的模块而限制了电路的“原创性”。这些模块通常都设计良好,经过优化且具备很好的特性, 它们的使用有助于提高芯片的设计抽象等级。半定制的设计方案可以缩短设计周期, 并且促进 2 了用于设计和优化的 CAD 工具的发展。这些 CAD 工具使得设计者可以从大量的原始模块库中选择模块, 并将他们互联以达到设计性能要求。随着芯片复杂度的不断提高, 半定制设计正在逐渐成为一种规范。在当前的电路复杂水平下,采用半定制方案设计出来的芯片,它的性能损失同采用定制设计的芯片相比,一般还是非常少的。半定制设计可以分为两大类: 基于单元的设计(C ell- B ased D esign ) 和基于阵列的设计(A rray- B ased D esign )。它们又可以再细分, 如图 所示。基于单元的设计使用预先设计好的单元库或单元生成器, 单元生成器可以根据