数字IC设计流程

目录

 

一、引例——RFID芯片

二、数字IC设计流程的发展史

第一阶段：人工设计

第二阶段：人工为主、计算机为辅 

第三阶段：人工与计算机平分秋色

第四阶段：计算机为主、人工辅助

三、目前主流的数字IC设计流程

 1、ASIC设计流程

 2、Soc设计流程

四、Top-Down设计流程

五、工艺库

5.1 概述

5.2 标准单元库示例：上升沿D触发器（D flipflop）

5.2.1 基本信息

5.2.2 延迟信息

5.2.3 对输入和时钟的要求

5.2.4 电路原理图 ​编辑

5.3 设计验证所需的库文件

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一、引例——RFID芯片

        大家应该对RFID并不陌生，所谓的RFID技术其实就是无线电射频技术 ( Radio Frequency Identification，RFID)的英文简称，该技术主要借助于磁场或者是电磁场原理，通过无线射频方式实现设备之间的双向通信，从而实现交换数据的功能，该技术最大特点就是不用接触就可以获得对方的信息。

        其中的无源RFID系统通过电磁感应线圈获取能量来对自身短暂供电，完成信息交换。其结构简单、成本低、故障率低，使用寿命较长。然而，无源 RFID的有效识别距离通常较短，一般用于近距离的接触式识别。无源RFID系统的典型应用包括:公交卡、二代身份证和校园卡等。

        其内部结构如下：

        其内部主要分成了射频电路模块、模拟电路模块、数字电路模块和存储电路模块。

        主要设计流程如下：

        可以看到，设计的时候模拟IC与数字IC是分开的，模拟的部分首先设计出电路原理图，然后经过管级仿真模拟、布局布线；数字的部分则是通过行为级描述和仿真得出门级网表，然后经过物理设计。在此之后统一进行物理验证、晶圆制造、封装等过程，最终得到我们的IC产品。这里我们关注的重点是数字IC设计的流程。

二、数字IC设计流程的发展史

第一阶段：人工设计

        这个阶段的设计规模大概是几百个门。其设计流程如下：

第二阶段：人工为主、计算机为辅 

        这个阶段的设计规模大概是几万个门。采用Bottom-up流程，使用计算机工具：CAD（Computer-Aided Design）工具。其设计流程如下：

第三阶段：人工与计算机平分秋色

        这个阶段的设计规模大概是几百万个门。采用Top-down流程，使用计算机工具：EDA（Electron Design Automation）工具。其设计流程如下：

 

第四阶段：计算机为主、人工辅助

        这个阶段的设计规模大概是几亿个门。采用Top-down与Bottom-up结合的流程，使用ESL（Electron System Level）工具。其设计流程如下：

三、目前主流的数字IC设计流程

1、ASIC设计流程

        瀑布式，由顶向下，先时序后物理，先硬件后软件，层次清晰，容易实现

2、Soc设计流程

        螺旋式，由顶向下与自底向上的结合，时序、物理并行，硬件、软件并行，层次复杂，难以实现。

 

 

四、Top-Down设计流程

五、工艺库

5.1 概述

        由代工厂提供的基于特定工艺的电路单元库，包括功能、时序、功耗、拓扑等信

息，通常包括：

• 标准单元（Standard cell）：基本组合逻辑门和时序控制单元等
• 宏单元（Macro block）：加法器、ALU、SRAM、多路选择器等
• 输入/输出单元（I/O pad cell）：输出缓冲器、ESD保护单元等

5.2 标准单元库示例：上升沿D触发器（D flipflop）

5.2.1 基本信息

        AME CMOS 0.8μm工艺 库名ms080cmosxCells

5.2.2 延迟信息

5.2.3 对输入和时钟的要求

5.2.4 电路原理图 

5.3 设计验证所需的库文件

• DEF(Design Exchange Format）文件：设计交换文件，给出被设计电路的网表，用于在不同设计系统之间传递电路设计信息，可用于参数提取、功耗分析、电压降分析等
• LEF(Library Exchange Format）文件：物理库文件，描述单元的物理拓扑信息以及对互连尺寸约束（端口位置、层定义和通孔定义等），以.lef为后缀，主要用于布局布线
• SDF(Standard Delay Format）文件 ：时序库文件，描述单元及互连的时序信息，包括管脚与管脚之间、时钟与数据之间以及内部互连的延迟，以.lib为后缀，主要用于静态时序分析
• Cell LEF文件：定义标准单元、宏单元、I/O单元和其他特殊单元的物理信息，包括单元的放置区域、对称性、面积大小，I/O口的布线层、几何形状以及不可布线区域等
• Technology LEF文件：定义布局布线的设计规则和晶圆厂的工艺信息，包括互连线的最小间距、最小宽度、厚度，典型电阻、电容、电流密度大小，布线通道宽度，通孔种类等

        这里拓展说一下时序库的内容：时序库文件SDF（Standard Delay Format）：ASCII格式，存放由EDA工具生成的时延数据。

1、数据主要内容

• 电路时延（Circuit Delay）：单元或器件的时延，有端口到端口（黑盒）和分布时延（白盒）两种建模方式
• 互连时延（Interconnect Delay）：连线或互连网络的时延，有点到点的interconnect结构和将互连等效成单元的Port结构

 2、数据来源

• 正标（Forward-annotation）：布局布线前，根据线负载模型以及用户的时间约束来定义延迟，通常用于逻辑综合和有时间驱动的布局布线
• 反标（Back-annotation）：布局布线后，从实际提取的网表中计算得到的时延，包含了网络的电容和互连的RC时延，通常用于布局布线后的静态时序分析