IC设计分类与流程

IC设计分类与流程

著名的英特尔486 DX IC(A look inside the famous Intel 486 DX IC. Image used courtesy of yellowcloud. [CC BY 2.0])

IC设计流程是指IC设计和开发的整个过程，以便IC可以在半导体工厂制造。这包括使用复杂的设备和过程模型，以及数学工具和软件来捕获、模拟、优化和检测过程中的错误。工程师、技术人员和设计人员的知识和专业技能，以及现代电子设计自动化设计(EDA)或计算机辅助设计(CAD)工具，是将产品和电路概念转化为可用于生产的 IC 设计的关键方面。

1 IC设计分类

虽然每个芯片代工厂、工艺、公司、设计团队甚至个人的具体设计流程可能不同，但是有四个主要领域的芯片设计流程可以被打破。这些域名是:

Digital IC --数字IC

Analog IC-- 模拟IC

RF IC --射频 IC

Mixed-signal IC-- 混合IC

每个领域都有几个不同的特征，其中混合信号设计流程可能是数字、模拟或 RF 领域的任何组合的混合。数字IC设计包括所有纯粹使用晶体管作为开关和逻辑电路的集成电路设计。相反，模拟集成电路设计包括所有的集成电路设计，其中涉及到现实世界中尚未数字化的信号。射频集成电路设计，被一些人认为是模拟集成电路设计的一个子集，包括处理超过几百千赫兹的信号，其中射频频率控制着设计限制和技术。

2 关于 PDKs (工艺设计工具包)和 EDA 工具的注意事项

不同领域的设计流程差异可以而且通常从早期的概念阶段一直延伸到生产。但是，越来越多的IC内置了来自各个域的电路，这导致了更为复杂和细微的处理。由于这种发展，制造厂商和EDA软件公司经常致力于使制造工艺和EDA软件工具更加兼容。

许多代工厂制造供客户使用的工艺设计套件（PDK），其中包括IC设计EDA软件工具使用的数据文件，以帮助进行设计流程。这些数据文件中的元素通常由参数化单元（PCELLS），SPICE模型，原理图符号，寄生提取工具，DRC / LVS工具，技术数据和各种脚本组成。一些设计公司还签约或构建自己的脚本和工具来自动化和增强验证功能。

3 什么是数字 IC 设计？

数字IC设计是一个过程，涉及到将规格和功能转换为数字模块，然后再转换为逻辑电路。与数字IC设计相关的许多限制来自制造工艺和技术限制。

设计技能和独创性是数字IC设计更高阶段以及确保设计尽可能高效地满足规格的系统和过程开发的关键。

3.1 综合与验证: 硬件描述语言和功能验证

在数字设计的早期阶段开发的带有行为描述的数字模块需要转换成硬件描述语言(HDL) ，如 Verilog 或 VHDL。这个阶段通常被称为寄存器传输级别(RTL)阶段，它通常包括功能验证，以确保逻辑实现在高级别上满足规范要求。

在这一步之后，硬件描述随后被转换成一个门级 netlist，在此期间可以尝试各种实现和优化例程以更好地满足设计目标。这个阶段的重要考虑因素包括功率预算、速度、占用空间和可靠性。

3.2 物理 IC 布局: 布局规划和 IP 核心

经过综合验证，将门级网表转化为物理版图，它是集成电路各层和物理结构的几何表示。采用布图规划方法确保整个集成电路块和衬垫的布局满足设计目标。

由于某些数字块(如存储器和寄存器)的结构化和重复性，部分数字集成电路布局通常使用脚本和自动化软件进程完成。外部 IP 核心也放置在这个阶段，其中只有必要的接口部分的 IP 披露的软件。在所有blocks和gates被放置之后，如果必要的话，自动化脚本和软件被用来连接每个元素。

3.3 验证与仿真: Tapeout 与测试

然后进行验证和模拟，两者都必须考虑布局和物理特征的布局。如果成功，结果是一个输出文件，如 GDSII (GDS2) ，制造厂商使用内部软件和工艺来制造IC，tape-out 级。在某些情况下，代工厂发现设计中的问题，然后需要由设计团队进行纠正和确认。

place和route后的芯片布局图片由 Cadence 提供

在 tape-out之后，会生产一小批首次运行的集成电路或原型集成电路，以便进行测试。这种测试可能导致重新设计或过程的变化取决于性能和生产 IC 的经济性。