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ASIC的设计

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ASIC的设计

ASIC完备指南

ASIC的设计方法和手段经历了几十年的发展演变,从最初的全手工设计发展到现在先进的可以全自动实现的过程。这也是近几十年来科学技术,尤其是电子信息技术发展的结果。从设计手段演变的过程划分,设计手段经历了手工设计、计算机辅助设计(ICCAD)、电子设计自动化EDA、电子系统设计自动化ESDA以及用户现场可编程器阶段。集成电路制作在只有几百微米厚的原形硅片上,每个硅片可以容纳数百甚至成千上万个管芯。集成电路中的晶体管和连线视其复杂程度可以由许多层构成,目前最复杂的工艺大约由6层位于硅片内部的扩散层或离子注入层,以及6层位于硅片表面的连线层组成。就设计方法而言,设计集成电路的方法可以分为全定制、半定制和可编程IC设计三种方式。

全定制设计 

全定制ASIC是利用集成电路的最基本设计方法(不使用现有库单元),对集成电路中所有的元器件进行精工细作的设计方法。全定制设计可以实现最小面积,最佳布线布局、最优功耗速度积,得到最好的电特性。该方法尤其适宜于模拟电路,数模混合电路以及对速度、功耗、管芯面积、其它器件特性(如线性度、对称性、电流容量、耐压等)有特殊要求的场合;或者在没有现成元件库的场合。特点:精工细作,设计要求高、周期长,设计成本昂贵。 

由于单元库和功能模块电路越加成熟,全定制设计的方法渐渐被半定制方法所取代。在现在的IC设计中,整个电路均采用全定制设计的现象越来越少。全定制设计要求:全定制设计要考虑工艺条件,根据电路的复杂和难度决定器件工艺类型、布线层数、材料参数、工艺方法、极限参数、成品率等因素。需要经验和技巧,掌握各种设计规则和方法,一般由专业微电子IC设计人员完成;常规设计可以借鉴以往的设计,部分器件需要根据电特性单独设计;布局、布线、排版组合等均需要反覆斟酌调整,按最佳尺寸、最合理布局、最短连线、最便捷引脚等设计原则设计版图。版图设计与工艺相关,要充分了解工艺规范,根据工艺参数和工艺要求合理设计版图和工艺。

半定制设计方法 

半定制设计方法又分成基于标准单元的设计方法和基于门阵列的设计方法。 

基于标准单元的设计方法是:将预先设计好的称为标准单元的逻辑单元,如与门,或门,多路开关,触发器等,按照某种特定的规则排列,与预先设计好的大型单元一起组成ASIC。基于标准单元的ASIC又称为CBIC(CellbasedIC)。 

基于门阵列的设计方法是在预先制定的具有晶体管阵列的基片或母片上通过掩膜互连的方法完成专用集成电路设计。半定制主要适合于开发周期短,低开发成本、投资、风险小的小批量数字电路设计。

1.基于标准单元的设计方法 

该方法采用预先设计好的称为标准单元的逻辑单元,如门电路、多路开关、触发器、时钟发生器等,将它们按照某种特定的规则排列成阵列,做成半导体门阵列母片或基片,然后根据电路功能和要求用掩膜版将所需的逻辑单元连接成所需的专用集成电路。 

单元库中所有的标准单元均采用定制方法预先设计,如同搭积木或砌墙一样拼接起来,通常按照等高不等宽的原则排列,留出宽度可调的布线通道。CBIC的主要优、缺点:※用预先设计、预先测试、预定特性的标准单元库,省时、省钱、少风险地完成ASIC设计任务。※设计人员只需确定标准单元的布局以及CBIC中的互连。※标准单元可以置放于芯片的任何位置。※所有掩膜层是定制的;※可内嵌定制的功能单元;※制造周期较短,开发成本不是太高。※需要花钱购买或自己设计标准单元库;※要花较多的时间进行掩膜层的互连设计。
 
2.基于门阵列的ASIC门阵列

是将晶体管作为最小单元重复排列组成基本阵列,做成半导体门阵列母片或基片,然后根据电路功能和要求用掩膜版将所需的逻辑单元连接成所需的专用集成电路。用门阵列设计的ASIC中,只有上面几层用作晶体管互连的金属层由设计人员用全定制掩膜方法确定,这类门阵列称为掩膜式门阵列MGA(maskedgatearray)。门阵列中的逻辑单元称为宏单元,其中每个逻辑单元的基本单元版图相同,只有单元内以及单元之间的互连是定制的。客户设计人员可以从门阵列单元库中选择预先设计和预定特性逻辑单元或宏单元,进行定制的互连设计。门阵列主要适合于开发周期短,低开发成本的小批量数字电路设计。

可编程器件的ASIC设计 

可编程ASIC是专用集成电路发展的另一个有特色的分支,它主要利用可编程的集成电路如PROM,GAL,PLD,CPLD,FPGA等可编程电路或逻辑阵列编程,得到ASIC。其主要特点是直接提供软件设计编程,完成ASIC电路功能,不需要再通过集成电路工艺线加工。 

可编程器件的ASIC设计种类较多,可以适应不同的需求。其中的PLD和FPGA是用得比较普遍得可编程器件。适合于短开发周期,有一定复杂性和电路规模的数字电路设计。尤其适合于从事电子系统设计的工程人员利用EDA工具进行ASIC设计。
 

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