阿尔伯塔大学集成电路(IC)设计流程介绍

集成电路设计，或称 IC 设计，是更广泛的电子工程知识体系的一部分。电子工程中有一个过程叫做电路设计。集成电路设计的目的是组装能够执行特定功能的互连元件。一个简单的例子就是数字加法或乘法的能力。另一个例子是开发执行计算机指令以完成复杂任务的微处理器。

一、集成电路制造原理

这一过程中使用的电路元件从晶体管、电阻器、电容器和导线等基本构件开始。在这些元件的基础上，产生出更复杂的功能，如逻辑门或精密放大器，然后形成更复杂的功能，如加法器和乘法器。这一过程会自行继续，从而产生越来越复杂的电路构件。

电路设计使用分立、预制的元件来构建电路。集成电路设计有一个重要区别。在这种情况下，电路元件由微小的元件组成，通过一种称为光刻的工艺在硅基板上实现。光刻工艺在硅基板上形成不同的几何形状，改变该形状所定义区域的电气特性。当这些区域组合和重叠时，基本电路元件就产生了。

因此，集成电路的设计包括两个不同的过程。首先，组装电路元件，以实现所需的功能。然后，将实现这些电路元件的不同几何形状组装并连接到硅基板上。第一个过程通常称为逻辑设计或电路设计，第二个过程称为物理设计。根据集成电路要处理的信号类型，可采用数字或模拟方法。对于模拟/混合信号或 AMS，两种方法都要使用。此外，还必须考虑各个电路元件如何满足设计要求。如果需要修改电路元件以满足设计要求，则应采用特定的设计方法。

二、集成电路设计的重要性

集成电路设计是一门极其重要的学科。它是开发当今使用的所有微电子器件的基础。这包括为便携式电脑和移动电话提供动力的微处理器、为电脑显示器和电视机提供动力的图像处理电路，以及可穿戴和植入式医疗设备中使用的传感器。这些微电子设备还使人工智能的应用日益广泛，开辟了自动驾驶、机器视觉和自然语言处理等新领域。

人工智能技术在我们的世界中广泛应用，而人工智能设计则构成了制造这些设备所需的学科基础。

三、集成电路(IC)设计流程

集成电路设计过程可视为一系列分层分解步骤。高层次的要求被分解成更详细的要求，目的是在硅片上实现一个能完全满足目标功能的电路。集成电路设计过程的关键步骤包括

1.架构设计

在此确定集成电路所需的功能。考虑集成电路的功能时要结合正在开发的系统。集成电路需要提供哪些功能?需要什么样的速度和功耗?设备的价格应该是多少? 这些问题的答案构成了选择具体技术来实现设备的基础。在现阶段，"是什么 "是最重要的。 实施方法尚未明确。

2.逻辑/组件设计

在这一阶段，要在宏观层面上对构件进行组装和连接，以实现集成电路所需的功能。通常使用现有的构件，如存储器、处理单元和传感器。高层电路元件的功能描述被分解为所需的低层电路元件。这一过程由称为逻辑合成的软件自动完成。对元件集合进行仿真，以验证设计的功能。 根据模拟所需的详细程度，可使用数字逻辑模拟器或模拟电路模拟器。如果需要对器件进行宏观修改以满足集成电路的要求，则应使用定制电路设计技术。这一步决定了芯片的 "实现方式"。

3.物理设计

这一步在硅片上创建实现所有所需电路元件的互连形状的实际布局。这一过程从芯片 "蓝图 "开始，"蓝图 "明确了芯片所有主要功能的位置，以及设计的主要输入和输出连接位置。然后对最终电路元件进行定位和定向，为生产做好准备。如果需要在宏观层面修改器件以适应集成电路的要求，则应使用集成电路版图编辑工具应用定制版图技术。 至此，芯片实施的 "如何 "已完全确定。

4.物理验证

现在可以对制造过程中添加到设计中的所有物理效应进行建模。布线造成的额外电阻、信号串扰和制造工艺本身的变化只是需要考虑的众多因素中的一部分。在这些压力下，电路还能正常工作吗?此外，对于如何将电路实际放置在硅晶片上进行制造，还有许多设计规则。这些设计规则也将在本步骤中进行审查。

5.验证

这是设计送交生产前的最后一步。在此，所有影响电路性能或可制造性的关键参数都要根据 Golden Signoff 质量工具的结果进行检查。在这一步骤中，设计规则与可制造性设计规则一起接受全面检查。 设计时序、功耗和信号完整性也在此步骤中进行检查和 "关闭"。在签核过程中，必须仔细消除寄生现象，以确保充分了解工艺的物理效应，这一点非常重要。在此步骤中使用的 Synopsys 金牌签核工具包括 IC Validator、PrimeTime®、PrimePower 和 StarRC。

在考虑先进半导体技术时，集成电路设计流程的另一个方面也变得非常重要。物理效应和工艺可变性在先进制造技术中发挥着重要作用。例如，连接电路元件的导线的物理电阻会导致工作电压发生显著变化，从而影响电路性能。制造工艺的变化也会导致意想不到的电路行为。为避免这些问题，应在早期设计阶段对布线延迟和工艺变化等后期影响进行建模和考虑，以确保这些影响不会对电路性能造成影响。

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