电子设计自动化技术绪论.ppt

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1、电子设计自动化技术电子设计自动化技术 （EDA技术）技术）Electronics Design Automation哈尔滨工业大学微电子中心哈尔滨工业大学微电子中心1课程任务课程任务课程任务：超大规模集成电路（课程任务：超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated CircuitsVLSI）设计自动化方法及工具的基本）设计自动化方法及工具的基本原理原理参考书：参考书：1.超大规模集成电路设计方法学超大规模集成电路设计方法学-杨之廉（清华）杨之廉（清华）2.数字系统设计自动化数字系统设计自动化-薛宏熙薛宏熙（清华）（清华）3.ULSI器件、电路与系统器件、电路与系统-

2、李志坚李志坚（清华）（清华）2第一章第一章绪论绪论3本章内容本章内容大规模集成电路技术发展历程大规模集成电路技术发展历程nICIC技术发展：技术发展：wICIC发明发明w摩尔定律摩尔定律w光刻工艺发展光刻工艺发展w其他技术其他技术n生产线发展生产线发展n设计业发展设计业发展4课程内容EDAEDA技术发展技术发展nICIC设计内容设计内容nIC IC 和和 Computer Computer互相依赖发展互相依赖发展n集成电路设计自动化技术发展集成电路设计自动化技术发展w第一代第一代:CAD:CADw第二代第二代:CAE:CAEw第三代第三代:EDA:EDA：w第四代第四代:VDSM EDA:VD

3、SM EDA 5IC技术发展晶体管发明晶体管发明1947年，年，Bell Lab.巴丁巴丁.布拉顿，发现布拉顿，发现Ge片上两个探针，当一个片上两个探针，当一个探针电极电流变化，另一个电极电流成探针电极电流变化，另一个电极电流成比例变化比例变化 Ge(Al)SbSb6IC技术发展19481948年年 Bell Lib.Bell Lib.肖肖 克莱从理论上提出两个克莱从理论上提出两个平行平行PNPN结构成结型晶体管的设想结构成结型晶体管的设想19491949年年 Bell Lib.Bell Lib.完成第一个完成第一个PNPPNP晶体管晶体管,1950,1950年制成有良好结性能的生长结晶体管年

4、制成有良好结性能的生长结晶体管19561956年巴丁年巴丁.布拉顿和肖克莱共同获得诺贝尔布拉顿和肖克莱共同获得诺贝尔物理奖物理奖 PNN7IC技术发展技术发展IC IC 发明发明-1958-1958年年 TI TI 公司公司 单管互连单管互连 -1959-1959年年 4 4个晶体管个晶体管 -1961 -1961年年 Fairchild Fairchild 公司公司 平面技术（平面技术（1616个晶体管）个晶体管）Moor Moor 定律定律-1965-1965年年 Fairchild Fairchild 公司公司 Moor Moor 提出提出n每一代（每一代（3 3年）硅芯片上的集成密度翻

5、两番。年）硅芯片上的集成密度翻两番。n 加工工艺的特征线宽每代以加工工艺的特征线宽每代以30%30%的速度缩小。的速度缩小。8IC技术发展MSI LSI VLSI ULSI 102-103 103-104 105-107 108MSI(Middle Scale Integration)中规模中规模LSI(Large Scale Integration)大规模大规模VLSI(Very Large Scale Integration)超大规模超大规模ULSI(Ultra Large Scale Integration)特大规模特大规模9 Wafer,Chip,Die，16 Transistors/

6、chip（61）10IC技术发展在在ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductor,国际半导体技术发展路线图）国际半导体技术发展路线图）2001版及其版及其2002年修订版中，将年修订版中，将2001-2007年定年定义为近期，而从义为近期，而从2008-2016年定义为远期年定义为远期 11生产年份定义：任意两公司达到每月生产年份定义：任意两公司达到每月1万个元件的生产量万个元件的生产量2 1124 8 3213特征线宽（半节距）：特征线宽（半节距）：亚微米（小于亚微米（小于1微米）微米）SM（Sub Micron）深亚微米（小

7、于深亚微米（小于0.5微米）微米）DSM（Deep Sub Micron）超深亚微米超深亚微米(小于小于0.25微米）微米）VDSM（Very Deep Sub Micron）14今天一个家庭可能拥有100个CPU，一个汽车达40-50个CPU1516IC技术发展2001年年8月，日本以下一代月，日本以下一代7050nm器件技术开器件技术开发为目标发为目标,开始启动一项开始启动一项 称为称为MIRAI的计划的计划 (Millennium Research for Advanced Informa-tion Technology，新千年先进信息技术研究），新千年先进信息技术研究），2001200

8、7年年2013年实现年实现32nm芯片芯片；目前分子、原子器件已有突破。美国科学杂志评目前分子、原子器件已有突破。美国科学杂志评出出2001年十大科技突破：以纳米碳管、纳米导线年十大科技突破：以纳米碳管、纳米导线为基础的逻辑电路及使用一个分子晶体管的可计为基础的逻辑电路及使用一个分子晶体管的可计算电路算电路氢原子的直径为氢原子的直径为1=1/10nm 最近报道已制出最近报道已制出4nm复杂分子，具有开关特性复杂分子，具有开关特性 17IC技术发展光刻工艺发展光刻工艺发展Photolithography(photo light process)n超微细光刻技术超微细光刻技术:采用分辨率增强技术；

9、光学光刻采用分辨率增强技术；光学光刻的极限分辨率可以达到波长的的极限分辨率可以达到波长的1/2。n因为光学光刻材料可达到的深紫外波为因为光学光刻材料可达到的深紫外波为193nm和和157nm，即光学光刻极限为，即光学光刻极限为 0.1-0.07 微米微米 n 目前利用光刻胶的减量应用和边墙的剖面控制等目前利用光刻胶的减量应用和边墙的剖面控制等多种方法来使有效栅长最小化，可达到多种方法来使有效栅长最小化，可达到0.450.45微米微米,但对光刻胶、光刻工艺的（刻蚀控制等）的要求更但对光刻胶、光刻工艺的（刻蚀控制等）的要求更高。成本还不能太高。高。成本还不能太高。18IC技术发展n根据判断，世界微

10、电子制造技术将在根据判断，世界微电子制造技术将在2013年年前后即前后即0.032微米时产生一次大的变革，其微米时产生一次大的变革，其主要内容是主流光刻技术从光学光刻转移到主要内容是主流光刻技术从光学光刻转移到下一代光刻技术，包括电子束投影光刻、离下一代光刻技术，包括电子束投影光刻、离子束投影光刻（激光等离子体光源）、子束投影光刻（激光等离子体光源）、X射射线光刻（分辨率线光刻（分辨率30-50nm）n国际上正在研究利用毛细管放电获国际上正在研究利用毛细管放电获13.5nm强强辐射辐射EUV光源（光源（Extra Ultra Violet）19IC技术发展Moor定律定律(线宽线宽)在传统的在

11、传统的CMOS器件制造工艺器件制造工艺中已经表现出其极限性中已经表现出其极限性,要不断引入新材料和要不断引入新材料和新器件，如高新器件，如高k值栅介质、值栅介质、Cu引线等。引线等。保持按保持按Moor定律给出的速度发展已成为业界发定律给出的速度发展已成为业界发展集成电路技术和生产水平的目标，直到光刻展集成电路技术和生产水平的目标，直到光刻掩膜版和工艺制造成本使线宽进一步缩小失去掩膜版和工艺制造成本使线宽进一步缩小失去经济意义。经济意义。20IC技术发展2122232425人脑开关速度人脑开关速度1ms=0.1MHz2627课程内容大规模集成电路技术发展历程大规模集成电路技术发展历程nICIC

12、技术发展：技术发展：wICIC发明发明w摩尔定律摩尔定律w光刻工艺发展光刻工艺发展w其他技术其他技术n集成电路产业发展集成电路产业发展n设计业发展设计业发展28电子制造业对集成电路电子制造业对集成电路 巨大的市场需求巨大的市场需求The huge requirement of market中国是世界上最大的消费类电子信息产品的生产国。中国是世界上最大的消费类电子信息产品的生产国。-居世界第一产量的产品居世界第一产量的产品:电视机、收录机、电视机、收录机、VCD视盘机、电话机、电子钟表计视盘机、电话机、电子钟表计算器、电冰箱、空调机等。算器、电冰箱、空调机等。-居世界主要生产地位的产品居世界主要

13、生产地位的产品:手机、软、硬盘驱动器、显示器、计算机板卡、鼠标手机、软、硬盘驱动器、显示器、计算机板卡、鼠标器等器等29增长曲线图增长曲线图30集成电路产业发展集成电路产业发展集成电路是信息产业的基础集成电路是信息产业的基础nICIC产值产值:信息产品产值信息产品产值:国民经济增长国民经济增长=1:10:100=1:10:100n今天一个家庭可能拥有今天一个家庭可能拥有100100个个CPUCPU，一个汽车达，一个汽车达40-40-5050个个CPUCPU“九五九五”以来，我国集成电路产业受到国家高以来，我国集成电路产业受到国家高度重视。度重视。“十五十五”期间，全国芯片制造业的投资将超过期间

14、，全国芯片制造业的投资将超过100100亿美元，相当于集成电路产业前亿美元，相当于集成电路产业前3030年投资年投资总额的总额的3 3倍，其中外资占一半以上份额。倍，其中外资占一半以上份额。“十一五十一五”期间估计将投资期间估计将投资300300亿美圆以上。亿美圆以上。31集成电路进出口情况集成电路进出口情况The imports&exports of Chinas IC32 1995-2005年我国集成电路销售额占世界市场的份额图年我国集成电路销售额占世界市场的份额图1995-2005 China IC Market vs Worldwide IC Market33 产业情况产业情况(Ind

15、ustry updates)我我国国集集成成电电路路产产业业已已具具备备了了一一定定的的发发展展基基础础,由由十十几几个个芯芯片片生生产产骨骨干干企企业业,几几十十个个封封装装厂厂,数数百百家家设设计计公公司司,若若干干个个关关键键材材料料及及专专用用设设备备仪仪器器制制造造厂厂组组成成的的产产业业群群体体,在在地地域域上上呈呈现现相对集中的局势（苏浙沪、京津、粤闽地区）。相对集中的局势（苏浙沪、京津、粤闽地区）。销售额销售额2006年将达到年将达到1000亿元人民币亿元人民币34中国半导体产业情况中国半导体产业情况企业数量企业数量 650家家从业人员从业人员 20万人万人销售额销售额 750

16、亿元亿元 （2005年）年）35专业构成专业构成（销售额销售额 545.3亿元-2004年）36集成电路生产能力集成电路生产能力预测预测A Forecast of Production Ability2005年年 产量达到产量达到200亿块，销售额亿块，销售额600-800亿亿 元，元，约占当时世界市场份额的约占当时世界市场份额的2-3%。2010年年 产量达到产量达到500亿块，销售额亿块，销售额2-3000亿元右，亿元右，约占当时世界市场份额的约占当时世界市场份额的5-8%左右。左右。(中国市场规模达中国市场规模达1000亿美圆以上亿美圆以上)37中国IC知识产权现状发展势头强劲发展势头强

17、劲2000年起，我国IC专利申请量年增长率突破40（图1）38产业现状产业现状-知识产权是动知识产权是动力力 自主知识产权是形成中国核心竞争力的关键自主知识产权是形成中国核心竞争力的关键,也是自主创新也是自主创新的关键的关键.2004年我国进口集成电路占当年我国总进口额年我国进口集成电路占当年我国总进口额(5614亿美圆亿美圆)的的9.7%,是石油进口总额是石油进口总额1.3倍倍,是各种钢材、铁矿是各种钢材、铁矿砂及其精矿产品进口额的砂及其精矿产品进口额的1.6倍倍.集成电路创新包括产品、技术和基础研究集成电路创新包括产品、技术和基础研究3方面。方面。专利处于起步专利处于起步我国申请我国申请I

18、C专利专利27252件，世界件，世界1024227件，占件，占2.6%国内企业申请国内企业申请4791件，其余是国际企业的申请。件，其余是国际企业的申请。0.5%中芯国际（上海）中芯国际（上海）5年内为生产工艺的专利要付出年内为生产工艺的专利要付出1.7亿美亿美圆的代价圆的代价,纠纷很多纠纷很多39生产线发展生产线发展集成电路生产线特点：超精（光刻），超纯集成电路生产线特点：超精（光刻），超纯（水、（水、气），超净（灰尘）气），超净（灰尘）一条一条6英寸生产线需英寸生产线需2亿美元，亿美元，8英寸英寸10亿美元，亿美元，12英寸英寸20-30亿美元亿美元国际概况国际概况 台湾台湾16家家IDM

19、（Integration Device Manufacture）产值）产值占全球占全球7.8%，仅次于美、日、韩，仅次于美、日、韩 专业代工制造（专业代工制造（Foundry）产值占全球）产值占全球76.8%，全球第，全球第一（台集电一（台集电-TSMC、联电、联电-UMC），其中），其中UMC（Unite Manufacture Company）1987年成立，年成立，2003年年60亿美圆亿美圆.40生产线发展生产线发展国内发展国内发展n20002000年国内年国内8 8家家上海华虹上海华虹NECNEC、华晶、华晶、华越、贝岭、先华越、贝岭、先进、首钢进、首钢NECNEC、友旺、南科、友旺

20、、南科上海华虹上海华虹 NEC 8”NEC 8”、微米工艺微米工艺其它为：其它为：5-6”0.8-1 5-6”0.8-1微米工艺。微米工艺。n20012001年以来新建、已投产多家年以来新建、已投产多家上海上海 中芯国际微米中芯国际微米上海上海 宏力宏力 微米微米北京北京 中芯国际中芯国际 12 12英寸英寸 微米微米天津天津 Motorola 0.25 Motorola 0.25微米微米(已转让中芯国际已转让中芯国际)n目前在建项目目前在建项目:TSMCTSMC（上海）（上海）,上海新进上海新进,中纬集体电路中纬集体电路(宁宁波波),),无锡华润华晶无锡华润华晶,华润上华华润上华,杭州士兰杭

21、州士兰,吉林华微吉林华微,柏玛微电柏玛微电子子(常州常州),),赛米微尔赛米微尔,南京高新南京高新,西安西岳等西安西岳等41生产线发展生产线发展在中国大陆正在和准备建立在中国大陆正在和准备建立300300毫米晶圆厂的有：毫米晶圆厂的有：中芯国际（正在建立），宏力、中芯国际（正在建立），宏力、Hynix-Hynix-意法半导体、飞意法半导体、飞思卡尔和飞利普等思卡尔和飞利普等中国正在成为国际集成电路生产的基地！中国正在成为国际集成电路生产的基地！但是我们不掌握集成电路生产设备制造技术！但是我们不掌握集成电路生产设备制造技术！42课程内容大规模集成电路技术发展历程大规模集成电路技术发展历程nICI

22、C技术发展：技术发展：wICIC发明发明w摩尔定律摩尔定律w光刻工艺发展光刻工艺发展w其他技术其他技术n生产线发展生产线发展n设计业发展设计业发展43设计业发展设计业已形成一个独立的产业设计业已形成一个独立的产业Fabless-Fabless-无生产线的集成电路企业。投资小，无生产线的集成电路企业。投资小，借助国际最先进的生产工艺，得到有自主知识借助国际最先进的生产工艺，得到有自主知识产权的产品。未来几年内集成电路市场的一半产权的产品。未来几年内集成电路市场的一半销销 售额将来自售额将来自 Fabless Fabless(Fabrication(Fabrication）利用利用FoundryF

23、oundry实现芯片加工：一般先经过多芯实现芯片加工：一般先经过多芯片片(Multi-Project Wafer(Multi-Project Wafer，简称，简称 MPW)MPW)试投试投-0.250.25微米试投片一次微米试投片一次100100万美圆，万美圆，1010个项目，个项目，一个一个1010万万。？44设计业发展Design serves Design serves（ChiplessChipless）：台湾创）：台湾创意公司等意公司等IDMIDM（Integration Device Integration Device manufacture manufacture）企业中的设计

24、部门）企业中的设计部门全球设计业全球设计业 美国占美国占60%60%，台湾占，台湾占22%22%中国占中国占3%3%（自有知识产权的芯片只占全（自有知识产权的芯片只占全球球0.3%0.3%份额份额)45设计业发展中国大陆中国大陆n20012001年：年：120120余家余家,从业人员从业人员40004000人人n20032003年年9 9月：月：389389家家(企业企业270270家家),),从业人员从业人员1.621.62万人万人,产值超过产值超过1 1亿人民币的近亿人民币的近1010家家.n（包括：专业、集成电路生产企业内、（包括：专业、集成电路生产企业内、整机企业内整机企业内、研究所、

25、高校、研究所、高校及海外独资企及海外独资企 业等）业等）n最高设计水平最高设计水平0.180.18微米，主流在微米，主流在0.351.50.351.5微米；年设计能力微米；年设计能力超过超过500500种种,可设计几百万门级芯片可设计几百万门级芯片.包括；方舟、龙芯、北大众包括；方舟、龙芯、北大众智智32位位CPU、星光星光数字图象处理汉芯数字图象处理汉芯DSP等等挑战挑战:技术水平、国际竞争、整机配套、资金技术水平、国际竞争、整机配套、资金 、人才、人才 发展快、差距正在缩小发展快、差距正在缩小（5年可具备与国际设计年可具备与国际设计 公司竞争的实力）公司竞争的实力）46设计业发展中国正在成

26、为国际集成电路生产的基地！中国正在成为国际集成电路生产的基地！但是我们不掌握集成电路生产设备关键制造技术！但是我们不掌握集成电路生产设备关键制造技术！我们还缺少具有国际竞争力的自主知识产权芯片！我们还缺少具有国际竞争力的自主知识产权芯片！7个国家集成电路设计产业基地、个国家集成电路设计产业基地、15个集成电路人才培养个集成电路人才培养基地，年产值基地，年产值1亿元以上亿元以上03年不足年不足10家家.05年超过年超过15家，家，黑龙江？黑龙江？47课程内容课程内容EDA技术发展技术发展nIC设计内容设计内容nIC 和和 Computer互相依赖发展互相依赖发展n集成电路设计方法学发展集成电路设

27、计方法学发展w第一代第一代:CAD(Computer Aided Design)w第二代第二代:CAE(Computer Aided Engineering)w第三代第三代:EDA：Top_down 设计技术；设计技术；Behavioral Description (算算 法级行为描述）；法级行为描述）；High-Level Synthesis；RTL 描述；描述；逻辑综合逻辑综合w第四代第四代:VDSM EDA48IC设计内容FunctionLogicCircuitLayout.X=A and BY=C nor D.ABABXVVssVssVddABCDXYZXVddVSS Verifica

28、tion49课程内容课程内容EDA技术发展技术发展nIC设计内容设计内容nIC 和和 Computer互相依赖发展互相依赖发展n集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展w第一代第一代:CADw第二代第二代:CAEw第三代第三代:EDA：Top_down 设计技术；设计技术；Behavioral Description (算法级行为描述）；算法级行为描述）；High-Level Synthesis；RTL 描述；逻辑综合描述；逻辑综合w第四代第四代:VDSM EDA50IC 和和 Computer互相依赖发展互相依赖发展Computer依赖依赖IC的发展而发展：集成电路大的发展而发展：集成电

29、路大规模和小型化规模和小型化78-086;82-286;85-386;89-486;93-奔腾奔腾;96-P6;00-奔腾奔腾4代；代；IC依赖依赖Computer的发展而发展的发展而发展Micovax2-286 Computer Aided Design（CAD）Methus 286 CAE Electronics Design Automation（EDA）每人每天画每人每天画50门版图（手工），门版图（手工），1000万门万门CPU版图需版图需700人年人年51课程内容EDA技术发展技术发展nIC设计内容设计内容nIC 和和 Computer互相依赖发展互相依赖发展n集成电路设计方法学发

30、展集成电路设计方法学发展w第一代第一代:CADw第二代第二代:CAEw第三代第三代:EDA：Top_down 设计技术；设计技术；Behavioral Description (算法级行为描述）；算法级行为描述）；High-Level Synthesis；RTL 描述；逻辑综合描述；逻辑综合w第四代第四代:VDSM EDA52集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展第一代第一代:CAD(Computer Aided Design)n传统电路验证方法是采用实验板，与实际差传统电路验证方法是采用实验板，与实际差别大；不能进行容差分析和极限条件的验证，别大；不能进行容差分析和极限条件的验证，速度

31、慢。速度慢。n 70年代：年代：Layout DRC（Design Rule Check)+Circuit Simulation 53 FunctionLogicCircuitLayout.X=A and BY=C nor D.ABABBXVVssVssVddABCDXYZXVddVSS Verification54集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展d1 d1d2d2d2d3d3d4d1-内间距检察内间距检察d2-外间距检察外间距检察d3-内外距检察内外距检察d4-内内距检察内内距检察55IC设计内容AAA BBBCinCinBCoutVdd电路图电路图56集成电路设计方法学发展集成

32、电路设计方法学发展电路模拟：列出电路模拟：列出 数学形式的电路方程，求解。数学形式的电路方程，求解。SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）：世界上第一个电路模拟）：世界上第一个电路模拟程序，由美国加州大学伯克利分校于程序，由美国加州大学伯克利分校于70年开始年开始开发开发n1975年年 第一个版本第一个版本SPICE2Gn1981年年 SPICE2G6n在此基础上，发展起来的电路模拟程序：在此基础上，发展起来的电路模拟程序：SPICE3，HSPICE，PSPICE，Fast SPICE（1990）（）（Meth.p3

33、8,26)57集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展二极管二极管（采用等效电路建模）（采用等效电路建模）CDKAK符号符号 等效电路原理等效电路原理 电路模型参数提取电路模型参数提取 基尔霍夫定律面向节基尔霍夫定律面向节 点电压建立方程点电压建立方程 解方程，求电路直流、解方程，求电路直流、交流和瞬态特性交流和瞬态特性 IDArS58集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展第二代第二代:CAE(Computer Aided Engineering)n 80年代：年代：Layout Placement and Routing+Logic Simulation+LVS(Layout Ve

34、rsus Schematic)n形成了比较完整的从逻辑模拟、电路模拟、自动布形成了比较完整的从逻辑模拟、电路模拟、自动布局布线和物理设计检查的后端局布线和物理设计检查的后端CAD工具链工具链n 其中其中Physical Checking,包括包括:DRC+ERC(Electrical Rule Check)+LPE(Layout Parameter Extraction)+LVS (P.87)59 IC设计内容设计内容FunctionLogicCircuitLayout.X=A and BY=C nor D.ABABBXVVssVssVddABCDXYZXVddVSS Verification

35、60DCT/IDCT芯片MPEG2编码芯片61MPEG44.85*4.85mm20.25微米工艺5层铝6263CMOS与非门与非门（nand）64656667集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展逻辑模拟：逻辑模拟：功能、性能（时序）功能、性能（时序）+da bcef68集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展模拟波形模拟波形ABCD EF69集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展第三代第三代:EDA(Electronics Design Automation)90年代年代 nTop-Down Design(Top-Down设计技术设计技术):Hardware Descript

36、ion Language+Synthesis70IC设计内容设计内容FunctionLogicCircuitLayout.X=A and BY=C nor D.ABABBXVVssVssVddABCDXYZXVddVSS Verification71 Top_down Top_down 设计流程设计流程Spec.Behavior HDLRTL HDLHigh-Level SynthesisNetlistPlacement&RoutingIC LayoutFPGAAreaTimingPowerDFT Cell Library Design Rule.Simulating and Verifica

37、tionFPGA CompilerSynthesis1G&2G3G72集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展Behavioral Description（Specification）y”+3 x y+3 y=0 用数值解用数值解 x1=x+d；y1=y+u*d；u1=u-（3*x*u*d）-（3*y*d）；）；已知已知 x、y、u 做一个做一个IC专用电路，来求专用电路，来求x+a 时时yout 通过模拟来验证算法正确性通过模拟来验证算法正确性X1-X=d(y1-y)/(x1-x)=u=yy1-y=u*dy”=(y1-y)/X1-X=(u1-u)/du1=u-3*X*u*d-3*y*d7

38、3use std.allentity diffeq is port(xin,yin,uin:in integer;xout,yout:out integer);generic(a,d:integer)end diffeq;architecture diffeq of diffeq isbegin process(xin,yin,uin)variable x,y,u :integer;variable x1,y1,u1 :integer;begin x:=xin;y:=yin;u:=uin;while(xa)loop x1:=x+d;y1:=y+u*d;u1:=u-(3*x*u*d)-3*y*d

39、);end loop;xout=x;yout=y;end process;end deffeq;VHDL Description (算法级行为描述）算法级行为描述）74集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展高层次综合（高层次综合（High-Level Synthesis）目标目标Behavioral Description at the algorithmic LevelThe behavioral in term of operation and computation sequences on inputs to produce the required outputs is spe

40、cified.将在行为域用操作和计算式表示的算法级描述作为输入将在行为域用操作和计算式表示的算法级描述作为输入,由由EDA工具自动生成所要求的结构域输出工具自动生成所要求的结构域输出(结构级结构级RTL宏模块宏模块)75集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展 High-Level Synthesis 其中有其中有 6次乘法、次乘法、2次加法、次加法、2次减法、次减法、1次比较次比较 a)可以用可以用2个乘法器、个乘法器、1个加法器、个加法器、1个减法器、个减法器、1个比较器，在个比较器，在7个时钟周期内完成，（设个时钟周期内完成，（设1次乘法需要次乘法需要2个周期完成）个周期完成）b)也

41、可用也可用3个乘法器、个乘法器、1个加法器、个加法器、1个减法器、个减法器、1个比较器，在个比较器，在6个时钟周期内完成个时钟周期内完成。Resource Assignment Scheduling Resource Allocation 功能单元的选择、操作的调度、硬件的分配、时序功能单元的选择、操作的调度、硬件的分配、时序的控制称为高层次综合。的控制称为高层次综合。(Automated Chip Synthesis)(Meth.50)76集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展RTL 描述描述 一位全加器一位全加器（组合电路）（组合电路）Sum=X Y Cin Cout=(X y)+(

42、X+Y)Cin77集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展Architecture Full_adder is signal S:Bit;Begin S =X xor Y after 10 ns;Sum =S xor Cin after 10ns;Cout =(S and Cin)or(X and Y)after 20ns;End Full_adder;78集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展Register Transistor Level Synthesis目标目标从从RTL、Dada_flow的行为域描述转化为门级结的行为域描述转化为门级结 构级描述构级描述(Translat

43、ion)逻辑优化逻辑优化(Optimization)Automatic conversion of hardware description language(HDL)model into a gate-level netlist which meets a set of design criteria(area,speed,testability,design rules)So called“RTL Synthesis”“RTL Synthesis=Translation+Optimization”79集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展综合结果综合结果 逻辑图逻辑图 网表网表 G1

44、 Xor a b s1 G2 Xor cin s1 Sum G3 And2 cin s1 S3 G4 And2 a b S2 G5 Or2 S2 S3 Cout bCoutacinSumG1G2 G3 G5 G480IC设计内容逻辑图逻辑图81集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展综合后的综合后的逻辑图逻辑图82集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展Reverse 版图照抄，版图照抄，DRC，ERC工艺要一样；工艺要一样；侵权侵权 版图照抄，提取电路、逻辑，版图照抄，提取电路、逻辑，DRC，ERC，LVS 逻辑模拟逻辑模拟电路模拟电路模拟版图从新设计版图从新设计版图验证版图验证Bo

45、ttom Up 自主知识产权自主知识产权 单元（逻辑单元（逻辑+电路电路+版图）版图）系统系统 单元（逻辑单元（逻辑+电路电路+版图）版图）单元（逻辑单元（逻辑+电路电路+版图）版图）83集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展第四代第四代:VDSM(Very Deep Sub-Micron)EDA n97年以来（年以来（SoC System on Chip）nTop-Down+Bottom-Upn用用 Top-Down 方法做系统设计、宏模块（方法做系统设计、宏模块（IP Intellectual Property）设计用）设计用IP复用技术复用技术设计来实现系统芯片设计来实现系统芯片B

46、ottom-Up84集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展SoC:工艺的发展允许在单一芯片上集成一个工艺的发展允许在单一芯片上集成一个系统（系统（SoC，System-on-Chip)。一个典型的。一个典型的SoC是采用深亚微米工艺的电路，其中包含一是采用深亚微米工艺的电路，其中包含一个或多个微处理器内核，至少个或多个微处理器内核，至少10万门的用户门万门的用户门以及相当容量的存储器。同时在芯片上实现以及相当容量的存储器。同时在芯片上实现CPU、DSP、数字电路、模拟电路、存储器等、数字电路、模拟电路、存储器等多种电路多种电路。85 VDSMEDA(Top-Down and Bottom

47、-Up)IP(1)（自己开发）（自己开发）Placement and routeIP(2)(生产厂开发）生产厂开发）IP(3)(第第3方开发）方开发）SoC Layout Synthesis Simulation Verification DFTnetlist System DesignFunctionVerification86集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展Technology:0.18 mm(C10N)Transfer Rate:850 Mbit/sPackage:P-TQFP-100Analog Area:20%(relative)Digital Area:80%(rela

48、tive)ITR16-StateViterbiFIRAnalog-Frontend(incl.Pads)Design partly withDatapath Generator87集成电路设计方法学发展集成电路设计方法学发展SoC关键技术关键技术n软硬件协同设计；软硬件协同设计；n系统级验证、测试；系统级验证、测试；n深亚微米芯片版图设计；深亚微米芯片版图设计；n设计平台；设计平台；nIP(Intellectual Property)设计和复用设计和复用88 Top_down 设计流程设计流程Spec.Behavior HDLRTL HDLHigh-Level SynthesisNetlist

49、Placement&RoutingIC LayoutFPGAAreaTimingPowerDFT Cell Library Design Rule.Simulating and VerificationFPGA CompilerSynthesis89课程内容绪论绪论IC的实现方法的实现方法VHDL模拟与验证技术模拟与验证技术逻逻 辑辑 综综 合合高层次综合高层次综合深亚微米深亚微米IC技术技术测试和可测性设计技术测试和可测性设计技术SoC设计中设计中IP复用技术复用技术90全球集成电路总销售额全球集成电路总销售额2000年年2044亿美圆，亿美圆，2001年降年降33%，是半导体行业历史上最严重的一次衰退；，是半导体行业历史上最严重的一次衰退；2004年才恢复到年才恢复到2140亿美圆。亿美圆。中国集成电路市场规模中国集成电路市场规模2000年年111亿美圆（亿美圆（945亿亿RMB）2001年年135亿美圆（亿美圆（1144亿亿RMB）2002年年173亿美圆亿美圆 (1471亿亿RMB）2003年年241亿美圆（亿美圆（2074亿亿RMB）年平均增长年平均增长39.4%;现约占全球现约占全球11.3%.(需求量需求量)91