Návrh integrovaného obvodu - Integrated circuit design

Pohled na rozložení jednoduchého operačního zesilovače CMOS (vstupy jsou vlevo a kompenzační kondenzátor je vpravo). Kovová vrstva je zbarvena modře, zelená a hnědá jsou Si dopovaný N a P, polysilikon je červený a průchodky jsou kříže.
Inženýr používající ranou pracovní stanici navrhující IC k analýze části návrhu obvodu vyříznuté na rubylithu , kolem roku 1979

Integrovaný obvodový design , neboli IC design , je podmnožinou elektronického inženýrství , zahrnující konkrétní logické a obvodové návrhové techniky potřebné k návrhu integrovaných obvodů neboli IO. Integrované obvody se skládají z miniaturizovaných elektronických součástek zabudovaných do elektrické sítě na monolitickém polovodičovém substrátu pomocí fotolitografie .

IC design lze rozdělit do širokých kategorií digitálního a analogového IC designu. Digitální IC design má vyrábět komponenty, jako jsou mikroprocesory , FPGA , paměti ( RAM , ROM a flash ) a digitální ASIC . Digitální design se zaměřuje na logickou správnost, maximalizaci hustoty obvodů a umísťování obvodů tak, aby signály hodin a časování byly směrovány efektivně. Analogový IC design má také specializaci na design výkonových IC a RF IC design. Analogový design IC se používá při návrhu operačních zesilovačů , lineárních regulátorů , fázově uzamčených smyček , oscilátorů a aktivních filtrů . Analogový design se více zabývá fyzikou polovodičových zařízení, jako je zisk, shoda, ztrátový výkon a odpor. Věrnost zesílení a filtrování analogového signálu je obvykle kritická a v důsledku toho analogové integrované obvody používají aktivní zařízení s větší plochou než digitální konstrukce a jsou obvykle méně husté v obvodech.

Moderní integrované obvody jsou nesmírně komplikované. Průměrný stolní počítačový čip má od roku 2015 více než 1 miliardu tranzistorů. Tyto pravidla pro to, co může a nemůže být vyrobeny jsou také velmi složité. Běžné procesy IC z roku 2015 mají více než 500 pravidel. Kromě toho, protože samotný výrobní proces není zcela předvídatelný, musí návrháři počítat s jeho statistickou povahou. Složitost moderního designu IC a tlak trhu na rychlou produkci návrhů vedly k rozsáhlému používání nástrojů pro automatizovaný návrh v procesu návrhu IC. Stručně řečeno, návrh IC pomocí softwaru EDA je návrh, test a ověření pokynů, které má IC provést.

Základy

Návrh integrovaných obvodů zahrnuje vytvoření elektronických součástek, jako jsou tranzistory , odpory , kondenzátory, a propojení těchto součástek na polovodič, typicky křemík . Způsob izolace jednotlivých složek vytvořených v substrátu je nezbytný, protože křemík substrátu je vodivý a často tvoří aktivní oblast jednotlivých komponent. Dvě běžné metody jsou izolace pn křižovatky a dielektrická izolace . Je třeba věnovat pozornost ztrátovému výkonu tranzistorů a propojovacím odporům a proudové hustotě propojovacího vedení, kontaktů a průchodek, protože integrované obvody obsahují velmi malá zařízení ve srovnání s diskrétními součástmi, kde jsou tyto obavy méně problémové. Elektromigrace v kovovém propojení a poškození malých součástek ESD jsou také znepokojivé. Nakonec je fyzické rozložení určitých subbloků obvodů obvykle kritické, aby se dosáhlo požadované rychlosti provozu, aby se oddělily hlučné části IC od tichých částí, aby se vyrovnaly účinky generování tepla napříč IC nebo aby se usnadnilo umístění připojení k obvodům mimo IC.

Kroky návrhu

Hlavní kroky v toku návrhu IC

Typický návrhový cyklus IC zahrnuje několik kroků:

  1. Specifikace systému
    1. Studie proveditelnosti a odhad velikosti matrice
    2. Analýza funkcí
  2. Architektonický nebo systémový design
  3. Logický design
    1. Analogový design, simulace a rozvržení
    2. Digitální design a simulace
    3. Simulace a ověřování systému
  4. Návrh obvodu
    1. Syntéza digitálního designu
    2. Design pro testování a automatické generování testovacího vzoru
    3. Design pro vyrobitelnost (IC)
  5. Fyzický design
    1. Plánování podlahy
    2. Místo a trasa
    3. Parazitická extrakce
  6. Fyzické ověření a odhlášení
    1. Statické načasování
    2. Co-simulace a načasování
  7. Příprava dat masky (Layout Post Processing)
    1. Dokončování třísek s páskou ven
    2. Rozložení záměrné osnovy
    3. Příprava maskování podle rozvržení
  8. Výroba oplatky
  9. Obal
  10. Die test
    1. Ověření a integrace po křemíku
    2. Charakterizace zařízení
    3. Vyladit (v případě potřeby)
  11. Nasazení čipu
    1. Generování datového listu (obvykle souboru Portable Document Format (PDF))
    2. Ramp up
    3. Výroba
    4. Analýza výtěžku / Záruční analýza Spolehlivost (polovodič)
    5. Analýza selhání jakýchkoli výnosů
    6. Pokud je to možné, naplánujte si čip příští generace s využitím výrobních informací

Zhruba řečeno, design digitálních integrovaných obvodů lze rozdělit na tři části.

  • Elektronický návrh na úrovni systému: Tento krok vytvoří funkční specifikaci uživatele. Uživatel může k vytvoření tohoto popisu použít celou řadu jazyků a nástrojů. Mezi příklady patří model C / C ++ , SystemC , SystemVerilog Transaction Level Models , Simulink a MATLAB .
  • Návrh RTL: Tento krok převádí specifikaci uživatele (co uživatel chce, aby čip dělal) na popis úrovně přenosu registru (RTL). RTL popisuje přesné chování digitálních obvodů na čipu a také propojení vstupů a výstupů.
  • Fyzický design: Tento krok vyžaduje RTL a knihovnu dostupných logických bran a vytvoří návrh čipu. To zahrnuje zjištění, které brány použít, definování míst pro ně a jejich vzájemné propojení.

Všimněte si toho, že druhý krok, design RTL, je zodpovědný za to, že čip dělá správnou věc. Třetí krok, fyzický design, vůbec neovlivňuje funkčnost (pokud je proveden správně), ale určuje, jak rychle čip funguje a kolik stojí.

Životní cyklus designu

Proces vývoje integrovaných obvodů (IC) začíná definováním požadavků na produkt, pokračuje architektonickou definicí, implementací, uvedením a nakonec výrobou. Různé fáze procesu vývoje integrovaných obvodů jsou popsány níže. Ačkoli jsou zde fáze prezentovány přímočaře, ve skutečnosti jde o iteraci a tyto kroky se mohou opakovat.

Požadavky

Před definováním architektury je třeba definovat některé cíle produktu na vysoké úrovni. Tyto požadavky jsou obvykle generovány procházet přes funkční tým, který řeší trh příležitost , potřeby zákazníků, proveditelnost a mnoho dalšího. Výsledkem této fáze by měl být dokument s požadavky na produkt .

Architektura

Architektura definuje základní strukturu, cíle a principy produktu. Definuje koncepty na vysoké úrovni a vnitřní hodnotovou nabídku produktu. Týmy architektury berou v úvahu mnoho proměnných a rozhraní s mnoha skupinami. Lidé vytvářející architekturu mají obecně značné zkušenosti se systémy v oblasti, pro kterou je architektura vytvářena. Pracovní produkt fáze architektury je architektonickou specifikací .

Mikroarchitektura

Mikroarchitektura je o krok blíže hardwaru. Implementuje architekturu a definuje konkrétní mechanismy a struktury pro dosažení této implementace. Výsledkem fáze mikroarchitektury je specifikace mikroarchitektury, která popisuje metody používané k implementaci architektury.

Implementace

Ve fázi implementace je samotný návrh vytvořen pomocí mikro-architektonické specifikace jako výchozího bodu. To zahrnuje definování a dělení na nízké úrovni , psaní kódu , zadávání schémat a ověřování. Tato fáze končí tím, že návrh dosáhne na tapeout .

Bringup

Poté, co je vytvořen design, je nahrán a vyroben skutečný hardware, „první křemík“, který je převzat do laboratoře, kde probíhá uvedení do provozu . Bringup je proces napájení, testování a charakterizování designu v laboratoři. Provádí se řada testů, počínaje velmi jednoduchými testy, jako je zajištění toho, že se zařízení zapne mnohem složitějšími testy, které se snaží součást namáhat různými způsoby. Výsledkem fáze vyvolání je dokumentace údajů o charakterizaci (jak dobře součást funguje podle specifikací) a errata (neočekávané chování).

Produktizace

Produktizace je úkolem převzít návrh od strojírenství do hromadné výroby. Ačkoli design mohl úspěšně splňovat specifikace produktu v laboratoři během fáze uvedení, existuje mnoho výzev, se kterými se produktoví inženýři potýkají při pokusu o hromadnou výrobu těchto návrhů. IC musí být zvyšována až do objemu výroby s přijatelným výtěžkem. Cílem fáze produktizace je dosáhnout objemů hromadné výroby za přijatelné náklady.

Udržení

Jakmile je design dospělý a dosáhne sériové výroby, musí být udržován. Proces musí být průběžně monitorován a problémy rychle řešeny, aby se předešlo významnému dopadu na objemy výroby. Cílem udržitelnosti je udržet objemy výroby a nepřetržitě snižovat náklady, dokud produkt nedosáhne konce své životnosti .

Proces návrhu

Mikroarchitektura a návrh na úrovni systému

Počáteční proces návrhu čipu začíná návrhem na úrovni systému a plánováním mikroarchitektury. V rámci společností zabývajících se návrhem IC navrhne management a často analytika návrh návrhového týmu, který zahájí návrh nového čipu tak, aby zapadl do průmyslového segmentu. V této fázi se setkají návrháři vyšší úrovně, aby rozhodli, jak bude čip fungovat funkčně. V tomto kroku se rozhoduje o funkčnosti a designu integrovaného obvodu. IC designéři zmapují funkční požadavky, ověřovací testovací stoly a testovací metodiky pro celý projekt a poté promění předběžný návrh na specifikaci na úrovni systému, kterou lze simulovat pomocí jednoduchých modelů pomocí jazyků jako C ++ a MATLAB a nástrojů emulace. U čistých a nových návrhů je ve fázi návrhu systému plánovaná instalace a provoz instrukcí a ve většině čipů jsou stávající instrukční sady upraveny pro novější funkce. Design v této fázi je často prohlášení, jako jsou kódy ve formátu MP3 nebo implementuje aritmetiku s plovoucí desetinnou čárkou IEEE . V pozdějších fázích procesu návrhu se každé z těchto nevinně vypadajících prohlášení rozšíří na stovky stránek textové dokumentace.

RTL design

Po odsouhlasení návrhu systému pak návrháři RTL implementují funkční modely v jazyce popisu hardwaru, jako je Verilog , SystemVerilog nebo VHDL . Pomocí komponent digitálního designu, jako jsou sčítačky, řadiče a stavové automaty, stejně jako konceptů počítačové architektury, jako je pipelining, superskalární provádění a predikce větví , návrháři RTL rozdělí funkční popis do hardwarových modelů komponent na čipu spolupracujících. Každé z jednoduchých prohlášení popsaných v návrhu systému se může snadno změnit na tisíce řádků kódu RTL , a proto je extrémně obtížné ověřit, že RTL udělá správnou věc ve všech možných případech, které na něj uživatel může vrhnout. .

Aby se snížil počet chyb funkcí, provede samostatná skupina pro ověření hardwaru RTL a navrhne testovací stoly a systémy, aby zkontrolovala, zda RTL skutečně provádí stejné kroky za mnoha různých podmínek, klasifikovaných jako doména funkčního ověření . Mnoho techniky jsou používány, žádná z nich dokonalé, ale všechny z nich užitečné - rozsáhlý logika simulace , formální metody , emulace hardware , lint like kontrolu kódu, pokrytí kódu , a tak dále.

Drobná chyba zde může celý čip zneužít, nebo ještě hůř. Slavná chyba Pentium FDIV způsobila, že výsledky divize byly chybné maximálně o 61 ppm, v případech, které se vyskytovaly velmi zřídka. Nikdo si toho ani nevšiml, dokud se čip nevyráběl měsíce. Přesto byl Intel nucen nabídnout bezplatnou náhradu každého prodaného čipu, dokud chybu neodstraní, a to za cenu 475 milionů USD (USA).

Fyzický design

Fyzické kroky návrhu v rámci toku digitálního návrhu

RTL je pouze behaviorálním modelem skutečné funkčnosti toho, pod čím má čip fungovat. Nemá žádnou souvislost s fyzickým aspektem toho, jak by čip fungoval v reálném životě na straně materiálů, fyziky a elektrotechniky. Z tohoto důvodu je dalším krokem v procesu návrhu IC, fyzické fázi návrhu , zmapování RTL do skutečných geometrických reprezentací všech elektronických zařízení, jako jsou kondenzátory, odpory, logické brány a tranzistory, které půjdou na čip.

Hlavní kroky fyzického návrhu jsou uvedeny níže. V praxi neexistuje přímočarý vývoj - k zajištění splnění všech cílů je nutná značná iterace. To je sám o sobě obtížný problém, kterému se říká návrhové uzavření .

Analogový design

Před příchodem mikroprocesoru a softwarových návrhových nástrojů byly analogové integrované obvody navrženy pomocí ručních výpočtů a součástí procesní soupravy. Tyto integrované obvody byly obvody s nízkou složitostí, například operační zesilovače , obvykle zahrnující ne více než deset tranzistorů a několik připojení. K dosažení vyrobitelného integrovaného obvodu byl často nutný iterativní proces pokusů a omylů a „přeinženýrství“ velikosti zařízení. Opětovné použití osvědčených návrhů umožnilo postupně stavět komplikovanější integrované obvody na základě předchozích znalostí. Když bylo v sedmdesátých letech k dispozici levné počítačové zpracování, byly počítačové programy napsány tak, aby simulovaly návrhy obvodů s větší přesností, než je praktické při ručním výpočtu. První simulátor obvodu pro analogové integrované obvody se nazýval SPICE (Simulační program s důrazem na integrované obvody). Nástroje pro simulaci počítačových obvodů umožňují větší složitost návrhu integrovaných obvodů, než jaké lze dosáhnout pomocí ručních výpočtů, což činí návrh analogových ASIC praktickými.

Vzhledem k tomu, že v analogovém designu je třeba vzít v úvahu mnoho funkčních omezení, je ruční návrh dnes stále rozšířený. V důsledku toho se moderní designové toky pro analogové obvody vyznačují dvěma různými styly designu-shora dolů a zdola nahoru. Styl designu shora dolů využívá nástroje založené na optimalizaci podobné konvenčním digitálním tokům. Procedury zdola nahoru znovu využívají „expertní znalosti“ s výsledkem řešení dříve koncipovaných a zachycených v popisu postupu, napodobujících rozhodnutí odborníka. Příkladem jsou buněčné generátory, jako jsou PCells .

Vyrovnávání se s variabilitou

Úkol, který je pro konstrukci analogových integrovaných obvodů nejkritičtější, zahrnuje variabilitu jednotlivých zařízení postavených na polovodičovém čipu. Na rozdíl od návrhu obvodu na úrovni desky, který umožňuje konstruktérovi vybrat zařízení, z nichž každé bylo testováno a seskupeno podle hodnoty, se hodnoty zařízení na integrovaném obvodu mohou značně lišit, což návrhář nekontroluje. Například některé odpory IC se mohou lišit o ± 20% a β integrovaného BJT se může pohybovat od 20 do 100. V nejnovějších procesech CMOS může β svislých tranzistorů PNP dokonce klesnout pod 1. Chcete -li přidat výzvu k návrhu, vlastnosti zařízení často se liší mezi každým zpracovaným polovodičovým plátkem. Vlastnosti zařízení se mohou dokonce výrazně lišit v každém jednotlivém IC kvůli dopingovým gradientům . Základní příčinou této variability je, že mnoho polovodičových zařízení je vysoce citlivých na nekontrolovatelné náhodné odchylky v procesu. Mírné změny v délce difúze, nerovnoměrné dopingové úrovně atd. Mohou mít velký vliv na vlastnosti zařízení.

Některé konstrukční techniky používané ke snížení účinků variací zařízení jsou:

  • Použití poměrů rezistorů, které se těsně shodují, spíše než absolutní hodnoty odporu.
  • Používání zařízení s odpovídajícími geometrickými tvary tak, aby odpovídaly variacím.
  • Zvětšení zařízení tak, aby se statistické odchylky staly nevýznamným zlomkem celkové vlastnosti zařízení.
  • Segmentace velkých zařízení, jako jsou odpory, na části a jejich vzájemné propletení pro zrušení variací.
  • Použití běžného rozložení zařízení pro těžiště ke zrušení odchylek v zařízeních, která se musí přesně shodovat (například diferenciální pár tranzistorů operačního zesilovače ).

Prodejci

Tři největší společnosti prodávající nástroje pro automatizaci elektronického designu jsou Synopsys , Cadence a Mentor Graphics .

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy