1、芯片设计实现介绍,北京中电华大电子设计有限责任公司,微电子技术,20世纪最伟大的技术信息产业最重要的技术进步最快的技术,基尔比(Jack Kilby)的第一个安置在半导体锗片上的电路取得了成功“相移振荡器”，世界上第一块集成电路在TI诞生，基尔比据此获得诺比尔物理奖。,芯片是现代社会生活消费类产品的基石,集成电路和集成电路设计概念,集成电路：把组成电路的元件、器件以及相互间的连线放在单个芯片上，整个电路就在这个芯片上，把这个芯片放到腔体中进行封装，电路与外部的连接靠引脚完成。集成电路设计：根据电路功能和性能的要求，在正确选择系统配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下，尽量减小芯片
2、面积，降低设计成本，缩短设计周期，以保证全局优化，设计出满足要求的集成电路。集成电路设计输出：最终输出是掩膜版图GDS数据，通过制版和工艺流片可以得到所需的集成电路。设计与加工之间的接口是版图数据。,微电子技术飞速发展与摩尔定律,自从芯片诞生以来，芯片的发展基本上遵循了英特尔公司创始人之一的GordonE.Moore 1965年预言的摩尔定律。该定律说：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。芯片设计是集成电路产业链中的关键环节，是连接市场需求和芯片加工的重要桥梁，是表现芯片创意、知识
3、产权与专利的重要载体。设计的本质是创新，芯片加工工艺存在着物理限制的可能，而芯片设计则可以在不同层次的加工舞台上发挥无尽的创造活力，从这个意义上说，忽略设计，就忽略了明天，掌握了设计，就掌握了未来,集成电路设计过程和方法,电子设计自动化,CAD辅助设计支持规模越来越大、复杂度越来越高的芯片开发第一代IC设计CAD工具出现于20世纪60年代末70年代初，但只能用于芯片的版图设计及版图设计规则的检查。第二代CAD系统随着工作站的推出，出现于80年代。其不仅具有图形处理能力，而且还具有原理图输入和模拟能力。如今CAD工具已进入了第三代，称之为EDA系统。其主要标志是工具支持全流程系统级到版图设计。,
4、芯片分层分级设计,系统级算法级寄存器传输级（RTL）门级电路（开关）级物理级,芯片设计规模和加工工艺节点,设计规模：一般以等效逻辑门来计算，一个二输入与非门算1个门，一个触发器等效6个门，现在SoC都在100万门-1000万门级别。工艺节点：一般以MOS晶体管沟通长度的特征值来表征工艺节点，如0.18um、0.13um、90nm、65nm、40nm、28nm，为了降低成本，缩小芯片面积，还会有0.162um、0.11um、55nm等半工艺节点，它是通过光学的处理方法把版图数据X、Y方向各缩小10%，达到面积缩小20%。,SMIC 0.18um工艺MOS器件沟道长度,MOS器件沟道长度为0.18
5、um，是标准的0.18um工艺，版图设计为0.18um，最后在硅片器件也是0.18um。,HG EF130 0.13um工艺MOS器件沟道长度,MOS器件沟道长度为0.15um，是非标准的0.13um工艺，版图设计为0.15um，最后在硅片器件也是0.15um。后端工艺采用90nm工艺，最后等效看相当于0.13um的水平,TSMC 65nm 工艺MOS器件沟道长度,MOS器件沟道长度为0.65，是标准的0.65nm工艺，版图设计为60nm，经过光学处理最后在硅片器件是65nm。,SMIC 55nm 工艺MOS器件沟道长度,MOS器件沟道长度为55nm，是半工艺节点，版图设计为60nm，经过光学
6、处理最后在硅片器件是55nm。,芯片设计前端流程图,SoC芯片结构,基于Verilog硬件描述语言的前端设计,Verilog编码示例,复杂模块的编码示例,芯片仿真验证,波形图能够直观看到芯片的功能，供设计者确认和debug使用,模拟电路设计,模拟电路仿真,标准单元版图设计,标准单元是已设计好的具有一定逻辑功能的单元电路,这些单元电路已经完成了紧凑的布局布线,经过严格测试,能保证逻辑功能和严格时序,芯片设计实现流程图,基于标准单元的芯片版图设计,概念：从标准单元库中调用事先经过精心设计的逻辑单元，并排列成行，行间留有可调整的布线通道，再按功能要求将各内部单元以及输入/输出单元连接起来，形成所需的
7、专用电路芯片布局：芯片中心是单元区，输入/输出单元和压焊块在芯片四周，基本单元具有等高不等宽的结构，布线通道区没有宽度的限制，利于实现优化布线。标准单元库：标准单元库中的单元是用人工优化设计的，力求达到最小的面积和最好的性能，完成设计规则检查和电学验证不同设计阶段调用不同描述,芯片版图布局,布局将模块安置在芯片的适当位置，满足一定目标函数。对级别最低的功能块，是指根据连接关系，确定各单元的位置，级别高一些的，是分配较低级别功能块的位置，使芯片面积尽量小。,芯片版图布线,布线根据电路的连接关系（连接表）在指定区域（面积、形状、层次）百分之百完成连线。布线均匀，优化连线长度、保证布通率。,802.
8、11n WiFi无线通信芯片完整版图,TSMC 65nm 1P7M 数模混合工艺,芯片版图验证与检查,DRC：几何设计规则检查 ERC：电学规则检查 LVS：网表一致性检查 POSTSIM：后仿真（提取实际版图参数、电阻、电容，生成带寄生量的器件级网表，进行开关级逻辑模拟或电路模拟，以验证设计出的电路功能的正确性和时序性能等)，产生测试向量,集成电路制造工艺,双极型集成电路制造工艺（TTL、ECL）CMOS集成电路制造工艺（主流工艺）BiCMOS集成电路制造工艺（混合工艺）,芯片版图层次,我们把设计过程抽象成若干概念性版图层次，这些层次代表线路转换成硅芯片时所必需的掩模图形，在硅片上形成晶体管
9、和互联，实现功能。它们一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示，由这些层经过逻辑运算得到加工Mask数据。一个55nm工艺的智能卡芯片有超过40层的mask,芯片中晶体管纵向结构图,芯片材料-单晶硅锭和晶圆,采用旋转拉伸的方式单晶硅锭，单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度99.9999。然后经过切片、圆边、研磨、抛光得到晶圆（Wafer）。,芯片制造（晶圆加工）,芯片中金属互连线,金属层：在不同晶体管之间形成复合互连金属层。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络。,芯片中的晶体管连线（扫描电镜照片）,90纳米工艺晶体管扫描电镜图,成人头发直径75-150um，即晶体管有效沟道长度小于头发直径的1/1000.,完成加工后的12英寸圆片,