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数字IC设计入门(5)初识集成电路设计

集成电路(integrated circuit)它是一种微型电子设备或部件。采用半导体工艺,在一个或多个半导体晶片上制作电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感元件和布线,然后包装在管壳中,成为具有所需电路功能的微结构。集成电路通常使用字母IC其功能是处理输入信息。 先看分立器件组成的电路图和电路板。 分立器件电路 想象一下,这些分立半导体器件组成的电路是否可以微型化,然后一起完成?早在1952年,英国科学家G. W. A. Dummer1958年提出了集成电路的想法TI公司Clair Kilby该研究小组发明了第一由锗半导体组成的集成电路。在接下来的几十年里,集成电路发展迅速。现在集成芯片包含数十亿晶体管是很常见的,比如华为麒麟1020和苹果A14这些采用5nm晶体管的先进工艺芯片数量超过100亿。 以MCU(Microcontroller Unit)以进一步了解芯片结构为例,微控制单元又称单片微计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机包含微处理器(cpu),并将内存(memory)、计数器(Timer)、PLL、A/D转换、UART、DMA在单个芯片上集成外围接口,形成芯片级计算机,对不同的应用场合进行不同的组合控制。 下图是MCU芯片结构示意图。 通过芯片版图和显微镜放大图片来了解芯片内部是什么样子的,下图是各种不同工艺的芯片版图。 看看集成电路芯片的显微照片。

IC 除半导体材料、设备、设备、设计软件工具等附加行业外,该行业主要由设计行业、制造业、密封测试行业组成。 早期,半导体公司大多来自IC集成组件制造商设计、制造、包装、测试和销售(Integrated Device Manufacturer, 俗称 IDM)。典型的IDM 厂有Intel、TI、摩托罗拉、三星等公司。 由于摩尔定律,半导体芯片的设计和生产越来越复杂,成本也越来越高。单独的半导体公司往往负担不起从上游到下游的高研发和生产成本。1980年代末期,半导体产业逐渐走向专业分工的模式── FOUNDRY模式 (做晶圆OEM和封装测试)FABLESS模式(无厂,专注IC设计)和DESIGN SERVICE模式(芯片设计服务提供商)。知名代工厂(Foundry,一般来说,只环节负责制造、包装或测试)TSMC、UMC、Charter、SMIC、著名的日月光、硅品、长电科技、华天科技等FABLESS有高通、联发科、博通(Broadcom)、华为、AMD等,知名DESIGN SERVICE有ARM、Imagination、Synopsys (新思科技),Cadence、Mentor Graphics等。下图为三大产业分工图。

IC从电路特性可以分为模拟IC和数字IC,如果操作放大器是模拟的IC,编码器芯片是数字IC,当然,很多芯片都是混合设计的。从定制的角度来看,可分为半定制IC和全定制IC,FPGA/CPLD用户可编程改变内部逻辑是半定制芯片的典型特征,ASIC(专用集成电路)属于全定制芯片,通用CPU、GPU一般也是全定制芯片,其特点是电路一旦设计制造就固定,不能再改变。事实上,任何定制的芯片都是模拟的、数字的或混合的ASIC。SOC(片上系统或系统级芯片)FPGA实现,也可设计成ASIC,一般包括数字逻辑设计和模拟电路设计。

数字IC研发的一般流程如下图所示。首先,规格定制(设定目标),然后用硬件描述规格中的功能。代码实现的功能是否符合预期,需要进行模拟验证。当发现代码的功能格不一致时,需要返回修改设计,直到功能正确。验证通过后RTL与工艺相关的门级电路,门级网表需要进行功能验证和形式化对比验证,验证通过后方可进行后端布局布线,布线完成后需进行后仿验证和各种规则检查OK可送芯片代工厂加工制造。

集成IC涉及的知识非常广泛,人们的精力有限,一个人不太可能掌握所有的知识,所以我们需要有选择地学习,工作需要使用这些知识点来学习这些知识点,同时学习和使用,在实践中成长。与芯片设计相关的知识点大致如下: 系统知识 计算机、通信、信息、控制等学科。 编程知识 verilog/VHDL 脚本语言(tcl、perl、python等)。 电路知识 模拟、数字、模数混合RFIC、MMIC。 工具知识 cadence、synopsys等软件工具。 工艺知识 组件特性及模型、工艺原理及工艺。 Linux知识 linux基本操作。

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