【学习笔记】集成电路发展及其设计流程(ICer必备)

一、表征集成电路发展水平指标——集成电路规模

• 小规模集成电路(SSI ,Small Scale Integration):             电路元件 $10^1\sim 10^2$
• 中规模集成电路( MSI ,Middle Scale Integration):       电路元件 $10^2\sim 10^3$
• 大规模集成电路( LSI ,Large Scale Integration):       电路元件 $10^3\sim 10^5$
• 超大规模集成电路(VLSL,Very Large Scale Integration): 电路元件 $10^6\sim 10^7$
• 特大规模集成电路(ULSI ,Ultra Large Scale Integration): 电路元件 $10^7\sim 10^9$
• 巨大规模集成电路(GSL,Grand Scale Integration):            电路元件     $>10^9$

二、集成电路制造流程

1.流程框图

集成电路设计：根据客户需求设计出相应的电路，使电路具有特定功能并满足相关规格条件，最终将设计的电路转化成版图的形式。
       集成电路设计包括电路设计和版图设计。
       版图最终生成GDS II文件。

掩模版制备：根据设计好的版图数据，制成每步光刻所需要用到的光刻掩模版，用以芯片制造。
       最终生成掩模版。

二、集成电路设计的一般流程

前仿真：设计前端中的电路仿真。
    数字电路主要是对时序和状态的仿真；
    模拟电路则是对一些相关的模拟量仿真，如瞬态、直流、交流的相关模拟量指标仿真。
集成电路版图设计：将电路翻译成可制造的图形。
集成电路版图验证：主要包括设计规则检查（DRC）和电路版图对比验证（LVS）。

三、集成电路的层次化设计

四、集成电路的分类

（一）按主要器件分类

• 双极型集成电路：主要由BJT器件构成。优点：速度高、驱动能力强；缺点：功耗大、集成度低；
• MOS集成电路：主要由MOSFET器件构成，包括PMOS集成电路和NMOS集成电路。特点功耗低，便于集成。
• BiMOS:由以上两种器件混合构成，兼具二者优点，但制造工艺复杂，成本较高。

（二）按电路类型分类

• 数字集成电路（Digital）：该电路又称逻辑电路（Logical）,主要由CMOS构成，一般规模较大。
• 模拟集成电路（Analog）：该电路又称线性电路（Linear）,产品以双极性为主，CMOS是目前研究方向。
• 数模混合电路（Mixed）:产品以Bi-MOS居多，目前CMOS是主要研究方向。

（三）按设计方法分类

• 正向设计（Top-Down）:正向设计一般先根据客户的要求，由设计者设计出电路并实现制造，再对实物进行测试优化，实现设计目标。（系统设计->子模块设计->若干子模块又分为若干下级子模块）
• 反向设计（Bottom-Up）：先对实物芯片进行解剖，提取出相应版图，再通过软件对提取的版图进行验证，从而进行相应的优化和改善。

（四）按自动化程度分类

• 全定制版图设计：IC按照规定的功能、性能要求，对电路中器件、结构布局、布线均进行专门的最优化设计，以达到芯片的最大利用率。
    特点：人工完成版图布局布线；针对电路参数和寄生参数会进行专门的优化；版图结构紧凑，芯片面积小；常用于模拟版图（规模小）。
• 半定制版图设计：版定制IC由厂家提供统一规格的功能块，如门阵列、标准单元、可编程逻辑器件（PGA，Programmable Gate Array）等，按用户要求利用专门的设计软件进行必要连接。
    特点：部分或全部由计算机辅助完成版图布局布线；版图结构相对稀松，芯片面积占用较大；对设计人员的编程能力有一定的要求；常用于大规模数字集成电路；单元采用标准化设计；

四、集成电路设计要求及挑战

1.设计要求

• 功能正确：第一次投片就能达到设计要求；
• 电路优化：经过电路设计优化使得各项参数达到预定指标要求；
• 降低成本：设计的芯片面积应尽可能小，降低制造成本
• 可靠性高：设计应该具有较高可靠性，在工艺制造允许的容差范围内仍能正常工作；
• 测试验证：在制造过程中和完成后，应该全面和快速的进行测试；

2.设计挑战

• 设计的准确性
• 设计的时效性
• 设计的可测试性
• 与制造商之间良好的接口

------------------------------------------------------待续（2022/8/12）--------------------------------------------------

四、集成电路设计相关软件

• 正向设计：Cadence Virtuoso
• 反向设计：Chiplogic
• 仿真工具：Spice、Spentre
• 验证工具：Calibre

------------------------------------------------------待续（2022/8/14）--------------------------------------------------

版图相关，见下一部分