集成電路設計和實現
集成電路設計涉及對電子器件(例如晶體管、電阻器、電容器等)、器件間互連線模型的建立。那么你對集成電路設計了解多少呢?以下是由學習啦小編整理關于什么是集成電路設計的內容，希望大家喜歡!
集成電路設計的介紹
所有的器件和互連線都需安置在一塊半導體襯底材料之上，這些元件通過半導體器件制造工藝(例如光刻等)安置在單一的硅襯底上，從而形成電路。目前最常使用的襯底材料是硅。設計人員會使用技術手段將硅襯底上各個器件之間相互電隔離，以控制整個芯片上各個器件之間的導電性能。PN結、金屬氧化物半導體場效應管等組成了集成電路器件的基礎結構，而由后者構成的互補式金屬氧化物半導體則憑借其低靜態(tài)功耗、高集成度的優(yōu)點成為數字集成電路中邏輯門的基礎構造。設計人員需要考慮晶體管、互連線的能量耗散，這一點與以往由分立電子器件開始構建電路不同，這是因為集成電路的所有器件都集成在一塊硅片上。金屬互連線的電遷移以及靜電放電對于微芯片上的器件通常有害，因此也是集成電路設計需要關注的課題。
隨著集成電路的規(guī)模不斷增大，其集成度已經達到深亞微米級(特征尺寸在130納米以下)，單個芯片集成的晶體管已經接近十億個。由于其復雜性，集成電路設計相較簡單電路設計常常需要計算機輔助的設計方法學和技術手段。集成電路設計的研究范圍涵蓋了數字集成電路中數字邏輯的優(yōu)化、網表實現，寄存器傳輸級硬件描述語言代碼的書寫，邏輯功能的驗證、仿真和時序分析，電路在硬件中連線的分布，模擬集成電路中運算放大器、電子濾波器等器件在芯片中的安置和混合信號的處理。相關的研究還包括硬件設計的電子設計自動化(EDA)、計算機輔助設計(CAD)方法學等，是電機工程學和計算機工程的一個子集。
對于數字集成電路來說，設計人員現在更多的是站在高級抽象層面，即寄存器傳輸級甚至更高的行為級，使用硬件描述語言或高級建模語言來描述電路的邏輯、時序功能，而邏輯綜合可以自動將寄存器傳輸級的硬件描述語言轉換為邏輯門級的網表。對于簡單的電路，設計人員也可以用硬件描述語言直接描述邏輯門和觸發(fā)器之間的連接情況。網表經過進一步的功能驗證、布局、布線，可以產生用于工業(yè)制造的版圖設計文件，根據該文件來可以在硬件上實現實際的集成電路電路。模擬集成電路設計涉及了更加復雜的信號環(huán)境，對工程師的經驗有更高的要求，并且其設計的自動化程度遠不及數字集成電路。
逐步完成功能設計之后，設計規(guī)則會指明哪些設計符合制造要求，而哪些設計不符合，而這個規(guī)則本身也十分復雜。集成電路設計流程需要符合數百條這樣的規(guī)則。在一定的設計約束下，集成電路物理版圖的布局、布線對于獲得理想速度、信號完整性、減少芯片面積來說至關重要。半導體器件制造的不可預測性使得集成電路設計的難度進一步提高。在集成電路設計領域，由于市場競爭的壓力，電子設計自動化等相關計算機輔助設計工具得到了廣泛的應用，工程師可以在計算機軟件的輔助下進行設計、功能驗證、靜態(tài)時序分析、動態(tài)時序驗證等流程。
集成電路設計的硬件實現
對于不同的設計要求，工程師可以選擇在可編程邏輯器件(如現場可編程邏輯門陣列)或專用集成電路上進行硬件電路實現。根據設計的出發(fā)點及約束，可以分為全定制設計和半定制設計(使用門陣列、標準元件或宏單元等)兩大類。
可編程邏輯器件
主條目：可編程邏輯器件
參見：復雜可編程邏輯器件、可編程陣列邏輯、可編程邏輯陣列、通用陣列邏輯及現場可編程邏輯門陣列
可編程邏輯器件通常由半導體廠家提供商品芯片，這些芯片可以通過JTAG等方式和計算機連接，因此設計人員可以用電子設計自動化工具來完成設計，然后將利用設計代碼來對邏輯芯片編程?？删幊踢壿嬯嚵行酒诔鰪S前就提前定義了邏輯門構成的陣列，而邏輯門之間的連接線路則可以通過編程來控制連接與斷開。隨著技術的發(fā)展，對連接線的編程可以通過EPROM(利用較高壓電編程、紫外線照射擦除)、EEPROM(利用電信號來多次編程和擦除)、SRAM、閃存等方式實現?，F場可編程邏輯門陣列是一種特殊的可編程邏輯器件，它的物理基礎是可配置邏輯單元，由查找表、可編程多路選擇器、寄存器等結構組成。查找表可以用來實現邏輯函數，如三個輸入端的查找表可以實現所有三變量的邏輯函數。
專用集成電路
主條目：專用集成電路
專用集成電路只能在整個集成電路設計完成之后才能開始制造，而且需要專業(yè)的半導體工廠的參與。不像可編程邏輯器件可以實現各種不同的電路，專用集成電路是根據已設計的電路版圖量身定做的，設計人員對于元件在芯片上的位置和連接能夠有更多的控制權，而不像可編程邏輯器件途徑，只能選擇使用其中部分硬件資源，從而無法避免資源浪費，因此專用集成電路的面積、功耗、時序特性可以得到更好的優(yōu)化。然而，專用集成電路的設計會更加復雜，并且需要專業(yè)的半導體工藝廠家才能將版圖文件制造成電路。一旦專用集成電路芯片制造完成，就不能像可編程邏輯器件那樣對電路的邏輯功能進行重新配置。對于單個產品，在專用集成電路上實現集成電路的經濟、時間成本都比可編程邏輯器件高，因此在早期的設計與調試過程中，常用可編程邏輯器件，尤其是現場可編程邏輯門陣列;如果所設計的集成電路將要在后期大量投產，那么批量生產專用集成電路將會更經濟。
集成電路設計的設計輔助和自動化
主條目：計算機輔助設計和電子設計自動化
由于集成電路系統(tǒng)的復雜性，工程師往往需要借助電子設計自動化工具來進行計算機輔助設計。邏輯綜合就是電子設計自動化在數字集成電路設計中最顯著的體現。以往在設計小規(guī)模、中規(guī)模集成電路時，工程師設計數字集成電路需要根據邏輯功能，通過類似卡諾圖這樣的手工途徑來優(yōu)化邏輯函數，然后確定使用何種邏輯門來實現電路。而在當前超大規(guī)模集成電路，乃至更大的甚大規(guī)模集成電路的設計中，這樣的工作方式不太現實。電子設計自動化工具使得工程師能夠從復雜的門級設計轉到功能設計，而底層的轉換由自動工具完成，工程師只需要掌握如何設置這些工具工作策略的知識。硬件描述語言是集成電路設計自動化的重要基礎。電子設計自動化發(fā)展十分迅速，現在已經成立了諸如設計自動化會議的一些學術論壇，定期討論業(yè)界的發(fā)展。
完成整個集成電路設計常常涉及多個電子設計自動化工具的運用。有些公司專門從事集成電路計算機輔助設計工具套件的開發(fā)和銷售，例如Synopsys、Cadence、Mentor Graphics、Agilent、Altium、Xilinx等。電子設計自動化工具的本身作為一種軟件，背后依靠的是各種計算機算法。因此電子設計自動化工具的開發(fā)更加接近軟件設計的范疇，其開發(fā)人員需要重點關注邏輯簡化、布局布線等方面的算法實現，但是他們同樣需要了解集成電路的硬件知識。
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