Элементы схемы, используемые в этом процессе, начинаются с фундаментальных строительных блоков, таких как транзисторы, резисторы, конденсаторы и провода. Эти элементы объединяются для формирования более сложных функций, таких как логические элементы или прецизионные усилители, которые затем объединяются для формирования более сложных функций, таких как сумматоры и умножители. Этот процесс продолжает развиваться сам по себе, что приводит к появлению все более сложных структурных блоков схемы.
В схемотехнике используются дискретные, предварительно изготовленные элементы для формирования схемы. В случае проектирования микросхем есть важное отличие. Здесь элементы схемы изготавливаются из миниатюрных компонентов, которые реализуются на кремниевой подложке с использованием процесса, называемого фотолитографией. В процессе фотолитографии на кремниевой подложке создаются различные геометрические формы, при этом изменяются электрические свойства области, определяемой этой формой. Основные элементы схемы создаются, когда эти области объединяются и накладываются друг на друга.
Итак, проектирование микросхем состоит из двух различных процессов. Во-первых, элементы схемы собираются для выполнения целевой функции. Далее различные геометрические формы, которые реализуют эти элементы схемы, должны быть собраны и соединены между собой на кремниевой подложке. Первый процесс обычно называется логическим, или схемотехническим, проектированием, а второй процесс называется физическим проектированием. В зависимости от типа сигнала, обрабатываемого ИС, используется цифровая или аналоговая методология. В случае проектирования с аналоговым/смешанным сигналом, или AMS, используются обе методики. Кроме того, также имеет значение, насколько различные элементы схемы соответствуют требованиям проекта. Когда элементы схемы необходимо модифицировать для достижения требований проекта, используется полностью индивидуальная методология проектирования.
Важность проектирования микросхем
Проектирование микросхем является критически важной дисциплиной. Оно формирует основу для разработки всех используемых сегодня микроэлектронных устройств. Это включает в себя микропроцессоры, которые питают портативные компьютеры и сотовые телефоны, схемы обработки изображений, которые питают компьютерные мониторы и телевизоры, а также датчики, которые используются в носимых и имплантируемых медицинских устройствах. Эти микроэлектронные устройства также позволяют все шире использовать искусственный интеллект (ИИ), который открывает новые рубежи, такие как автономное вождение, машинное зрение и обработка естественного языка.
Внедрение микросхемных технологий получило широкое распространение в нашем мире, и проектирование микросхем формирует основополагающий набор дисциплин, необходимых для создания этих устройств.
Обзор различных этапов процесса проектирования ИС
Процесс проектирования ИС можно представить как серию иерархических этапов декомпозиции. Требования высокого уровня разбиваются на более подробные части с целью реализации схемы на кремниевой пластине, которая точно выполняет целевую функцию. Основные этапы, составляющие процесс проектирования ИС, включают:
Архитектурный проект. Здесь указывается требуемая функциональность микросхемы. Возможности конкретной рассматриваемой микросхемы будут рассмотрены в контексте создаваемой системы. Какие функции должна выполнять микросхема? Какова требуемая скорость и энергопотребление? Какова целевая стоимость устройства? Ответы на эти вопросы будут определять последующий выбор конкретной технологии, которая будет использоваться для реализации устройства. На данном этапе наиболее важно “что” требуется. “Как” это будет реализовано, все еще четко не определено.
Проектирование логики/схем. Здесь компоновочные блоки макроуровня собираются и соединяются между собой для реализации требуемой функциональности ИС. Как правило, используются уже существующие компоновочные блоки, такие как память, процессорные блоки и датчики. Высокоуровневые функциональные описания элементов схемы декомпозируются на требуемые элементы схемы низкого уровня. Этот процесс автоматизирован с помощью программного обеспечения, называемого логическим синтезом. Набор устройств моделируется для проверки функциональности конструкции. Будет использоваться либо имитатор цифровой логики, либо имитатор аналоговой схемы, в зависимости от требуемого уровня детализации моделирования. Если необходимо модифицировать строительные блоки макроуровня для достижения требований ИС, используются специальные методы проектирования схем. На этом этапе начинает определяться, “как” будет реализован чип.
Физический дизайн. На этом этапе создается фактическое расположение взаимосвязанных форм, которые реализуют все необходимые элементы схемы на кремниевой пластине. Процесс начинается с “поэтажного плана” микросхемы, который определяет, где будет расположена каждая из основных функций микросхемы и где будут расположены основные входные и выходные порты конструкции. Затем размещаются и прокладываются окончательные элементы схемы при подготовке к производству. Если строительные блоки макроуровня необходимо модифицировать для достижения требований микросхемы, используются пользовательские методы компоновки с использованием инструмента редактора компоновки микросхемы. “Как” будет реализован чип, теперь полностью определено.
Физическая проверка. Все физические эффекты, которые процесс производства добавляет к дизайну, теперь можно смоделировать. Повышенное сопротивление проводки, перекрестные помехи сигналов и вариабельность самого производственного процесса - вот некоторые из многих элементов, которые необходимо учитывать здесь. Будет ли схема по-прежнему корректно работать при таких нагрузках? Кроме того, существует множество правил проектирования, касающихся того, как схема должна быть физически размещена на кремниевой пластине, чтобы гарантировать ее технологичность. Эти правила проектирования также проверяются на этом этапе.
Регистрация. Это заключительный шаг перед отправкой проекта в производство. Здесь все критические параметры, которые будут влиять на производительность или технологичность чипа, проверяются с помощью инструментов контроля качества “golden signoff”. На этом этапе полностью проверяются правила проектирования, а также правила проектирования для обеспечения технологичности. На этом этапе также проверяются и “закрываются” временные параметры, энергопотребление и целостность сигнала конструкции. Крайне важно, чтобы во время выхода из системы было выполнено точное извлечение паразитов, чтобы обеспечить хорошее понимание физических эффектов процесса. Инструменты golden signoff Synopsys, используемые на этом этапе, включают IC Validator, PrimeTime ® , PrimePower и StarRC
.
