20201010School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University集成电路计算机辅助设计集成电路计算机辅助设计微电子学院微电子学院高海霞高海霞 副教授副教授20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University1. 概论概论1-1集成电路基本概念一、什么是集成电路二、集成电路的分类三、集成电路的发明和发展四、中国集成电路产业发展1-2专用集成电路研制过程一、基本研制过程二、VLSI设计流程三、EDA工具20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University什么是集成电路什么是集成电路半导体集成电路是用半导体工艺技术将电子电路的元件（电阻、电容、电感等）和器件（晶体管、传感器等）在同一半导体材料上“不可分割地”制造完成，并互连在一起，形成完整的有独立功能的电路和系统。20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University集成电路的分类集成电路的分类1. 1. 按电路功能分类按电路功能分类(1)数字集成电路(2)模拟集成电路(3)混合信号集成电路2. 2. 按电路结构分类按电路结构分类 (1)半导体集成电路，又称单片集成电路（Monolithic IC） (2)混合集成电路( HIC：Hybric Integrated Circuit） 薄膜IC、厚膜IC 多芯片组件(MCM：MultiChip Module)3. 3. 按有源器件结构和工艺分类按有源器件结构和工艺分类 (1) 双极型集成电路(2) MOS集成电路(3) BiCMOS集成电路20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University集成电路的分类集成电路的分类4. 4. 按电路的规模分类按电路的规模分类5. 5. 按应用领域分类按应用领域分类：(1)通用集成电路(2)专用集成电路（ASIC：Application-Specific IC ）20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University集成电路的发明和发展集成电路的发明和发展发展历程发展历程1947年12月23日，Bell实验室，W.Shockley、J.Bardeen和W.Brattain发明了点接触三极管W.Shockley等等三人于三人于1956年年获得诺贝尔奖获得诺贝尔奖20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversityJ. S. Kilby于于2000年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖同一年稍后，美国仙童公司研制出适用于工业化生产同一年稍后，美国仙童公司研制出适用于工业化生产的集成电路。目前的集成电路。目前ICIC基本工艺尚未发生根本变化。基本工艺尚未发生根本变化。集成电路的发明和发展集成电路的发明和发展发展历程发展历程1958年美国德克萨斯仪器（TI）公司的J.S.Kilby研制出第一块IC 20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University集成电路的发明和发展集成电路的发明和发展发展历程发展历程 1um 0.5um 0.25um 0.18um 90nm 65nm 45nm Intel Pentium D Processor 2005 Intel Core 2 Duo Processor 2006 2.91亿亿 Core 2至尊四核处理器至尊四核处理器QX9650 200720102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University集成电路的发明和发展集成电路的发明和发展Moore定律定律20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University集成电路的发明和发展集成电路的发明和发展Moore定律定律20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University每隔3年，特征尺寸缩小30%，集成度(每个芯片上集成的晶体管和元件的数目)提高4倍。每隔4年，“单个晶体管价格”缩小10倍。专用集成电路（ASIC）和存储器每12年其集成度和性能均翻番。集成电路的发明和发展集成电路的发明和发展Moore定律定律20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversityIC产业是“吞金”工程。IC产业是“金蛋”工程。“通用”IC产业已形成“垄断”趋势，进入的“门槛”很高。“专用”IC“发展迅速”，并已形成产业专门化分工。出现了一批Fabless公司，即专门进行集成电路设计的公司（DesignHouse），将设计结果交由IC制造厂加工。出现了一批Chipless公司，利用IC制造厂的工艺数据，设计具有自主知识产权的IC宏单元，(称为IP核)，不生产集成电路产品。集成电路设计需要微电子、电路系统等多专业设计人员共同完成，各自发挥不同的技术专长作用。ASIC主流产品为“数字集成电路”，但是技术难点是“模拟集成电路”，特别是“微波集成电路”设计集成电路的发明和发展集成电路的发明和发展其他特点其他特点20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University中国集成电路产业发展中国集成电路产业发展设计业设计业1965年研制出第一块半导体集成电路。经过“七五、八五、九五”等五年规划建设，先后经历了自主创业、引进提高和重点建设阶段。2005年，中星微电子在纳斯达克上市，成为第一家在美国上市的中国IC设计公司，其后，上海展迅、珠海炬力等也成功在美国上市。近年来，大陆IC设计产业发展较快，销售收入由2002年的21.6亿元增长到2006年的186亿元，规模增加了近8倍，年均复合增长率超过70%。从产业结构方面来看，大陆IC设计产业在IC产业中所占比重由2002年的8%提高到2006年18%。设计能力：0.35um0.09um20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University2006-2008年中国十大年中国十大IC设计企业排名设计企业排名(亿元人民币亿元人民币) 2006年2007年2008年排名公司名销售额公司名 销售额 公司名销售额1珠海炬力13.5中国华大 14.61 深圳海思 30.942中国华大12深圳海思12.9中国华大 14.433中星微10.1展讯11.06大唐微8.364大唐微9.2大唐微10.79士兰微8.125海思9珠海炬力8.78珠海炬力6.786华润矽科8.4华润矽科8.5华润矽科6.247士兰微8.2士兰微8.2中星微6.228上海华虹6.6中星微7.06上海华虹6.149清华同方5.6上海华虹6.83清华同方3.9710展讯3.3清华同方4.57日电电子2.82合计85.9合计93.3合计94.0220102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University20世纪80年代后期90年代初期，以上海贝岭和上海先进等为代表探索期20世纪90年代中后期，由中央和上海共同组建了上海华虹集团公司，实施国家重点工程“909”工程。上海华虹NEC电子有限公司成功建成了我国首条8英寸0.35微米工艺的芯片生产线。2000年，国务院颁布18号文件鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策，有效地引进了国际资本和技术；中芯国际、宏力半导体、台积电等建立独资、合资的芯片制造企业。2007年3月，英特尔宣布在大连投资25亿美元建立一个生产12英寸的90nm晶圆工厂，2009年6月，英特尔宣布大连芯片厂将以65nm制造工艺代替90纳米制造工艺。中国集成电路产业发展中国集成电路产业发展Foundry业业20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University我国我国IC封装业一直是封装业一直是IC产业链中的第一支产业链中的第一支柱产业。柱产业。2007年国内集成电路封装测试业共实现销年国内集成电路封装测试业共实现销售收入售收入627.7亿元，同比增长亿元，同比增长26.4%。目前国内封装企业如长电科技、南通富士目前国内封装企业如长电科技、南通富士通、天水华天、华润安盛公司近年来封测通、天水华天、华润安盛公司近年来封测规模正在迎头赶上，产品档次也由低端向规模正在迎头赶上，产品档次也由低端向中高端发展。中高端发展。中国集成电路产业发展中国集成电路产业发展封装业封装业20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversityASIC研制过程研制过程20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversityASIC研制过程研制过程20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversityASIC研制过程研制过程20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversityASIC研制包括5个阶段：(1)电路系统设计(2)版图设计(3)集成电路芯片加工制造(4)集成电路封装(5)成品测试和分析ASIC研制的基本过程研制的基本过程20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University立方运算放大器电路图立方运算放大器电路图20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University立方运算放大器版图立方运算放大器版图20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversityTop-Down Design Flow系统说明系统说明建立系统级模型、仿真建立系统级模型、仿真设计输入设计输入逻辑综合逻辑综合系统划分系统划分前仿真前仿真布局布线布局布线版图参数提取后仿真版图参数提取后仿真数据输出数据输出GDSGDSSystem LevelLogical LevelPhysical Level提出系统提出系统的总体指的总体指标，包括标，包括关键功能、关键功能、子系统划子系统划分、各子分、各子系统功能系统功能特点以及特点以及重要的端重要的端口特性、口特性、功率消耗、功率消耗、封装要求封装要求以及主要以及主要的接口要的接口要求；求； VLSI设计流程设计流程20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University功能：完成器件的功能描述常用工具：对自顶而下的（Top-Down）设计方法，往往首先使用VHDL或是VerilogHDL来完成器件的功能描述，代表性的语言输入工具有Summit公司的VisualHDL和Mentor公司的Renior等。对自下而上的设计，一般从晶体管或基本门的图形输入开始，代表性工具有Cadence公司的Composer和Viewlogic公司的Viewdraw等。EDA工具工具设计输入设计输入20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University功能：采用HDL和逻辑综合工具产生网表，说明各逻辑单元的连接关系。基于不同的库，逻辑综合工具可以将设计思想转化成对应一定工艺手段的门级电路；将初级仿真中所没有考虑的门沿（gatesdelay）反标到生成的门级网表中,返回电路仿真阶段进行再仿真。最终仿真结果生成的网表称为物理网表。常用工具Synopsys公司的DesignCompilerCadence公司的BuiltgatesEnvisiaAmbitEDA工具工具逻辑综合逻辑综合20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University数字电路仿真软件对于VerilogHDL网表仿真，Cadence公司的Verilog-XL是基于UNIX工作站最负盛名的仿真工具；而近年随PC工作站的出现，Viewlogic的VCS和Mentor公司的Modelsim因其易用性而迅速崛起并成为基于廉价PC工作站的数字仿真工具的后起之秀；对于VHDL网表仿真，Cadence提供Leafrog；Synopsys公司有VSS，而Mentor公司基于PC的Modelsim则愈来愈受到新手们的欢迎。模拟电路仿真软件PSPICE最早产生于Berkley大学，经历数十年的发展，随晶体管线宽的不断缩小，PSPICE也引入了更多的参数和更复杂的晶体管模型，使的他在亚微米和深亚微米工艺的今天依旧是模拟电路仿真的主要工具。HSPICE因其在亚微米和深亚微米工艺中的出色表现而在近年得到了广泛的应用。Cadence的Spectre也是模拟仿真软件，但应用远不及PSPICE和HSPICE广泛。EDA工具工具电路仿真电路仿真20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversityBerkley: SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)1972首次推出SPICE1975SPICE实用版(博士论文),免费推广使用。1982发展为电路模拟的“标准”软件。MicroSim: 1983用于PC机的PSpice1(对应SPICE2G5版本)OrCAD: 1998MicroSim并入OrCAD，推出OrCAD/PSpice8Cadence：2000OrCAD并入Cadence，推出PSpice9.22003OrCAD/PSpice10增加“AdvancedAnalysis”高级分析功能。2005与Matlab软件结合，进行系统行为级仿真。Hspice：用于工作站和PC机两种版本。EDA工具工具SPICE的发展的发展20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University布局：决定模块中单元的位置布线：单元与模块之间连线版图输入工具：Cadence的Virtuoso布局、布线工具：Cadence的DesignFramework、SiliconEnsemble，EnvisiaPlace&RouteDSM是常用的基于UNIX工作站的全定制设计的布局布线软件CadenceSOC_Encounter EDA工具工具版图绘制和自动布局布线版图绘制和自动布局布线20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian University物理验证：DRC（DesignRuleCheck ）：确保版图满足特定工艺的设计规则ERC（ElectricalRuleCheck ）：检查power，ground的short，floatingdevice，floatingnet等制定的电气特性LVS（Layoutvs.Schematic）：将layout与schematic最比较，检查电路的连接，MOS的length和width值是否匹配寄生参数提取LPE（LayoutParameterExtraction ）：确定互连的电阻和电容ASIC设计中最有名、功能最强大的是Cadence的Dracula，Assura，可以一次完成版图从DRC、LVS到LPE的工序；Diva作为其相对较弱的软件多提供给教学用途；AVANTI的Star-RC也是用于物理验证的强力工具，而Hercules则是其LVS的排头兵。 EDA工具工具物理验证和版图参数提取物理验证和版图参数提取20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversitySMIC-Cadence数字电路设计参考流程数字电路设计参考流程 20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversitySMIC-Synopsys数字电路设计参考流程数字电路设计参考流程 20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversitySMIC-Cadence模拟混合信号电路设计参考流程模拟混合信号电路设计参考流程 20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversityOrCAD软件包的组成软件包的组成20102010 School of MicroelectronicsSchool of MicroelectronicsXidian UniversityXidian UniversityTanner软件包简介软件包简介 在在自自动动布布线线的的功功能能上上，TannerTanner工工具具与与CadenceCadence工工具具的的差差距距很很大大。但但是是，CadenceCadence的的自自动动布布线线工工具具是是选选购购项项，最最高高级级的的自自动动布布线线器器的的价价格格高高达百万美金。达百万美金。老版本老版本Tanner工具工具新版本新版本Tanner工具工具Cadence工具工具版图设计工具版图设计工具L-EditL-EditVirtuoso电路图设计工具电路图设计工具无（借用无（借用OrCAD）S-EditComposerSPICE模拟工具模拟工具无无T-Spice，与，与H-Spice功能接近功能接近Spectre波形观察工具波形观察工具无无W-EditWaveformDRC ERC LVS只有只有DRC和和LVS有有Diva 由由于于早早期期PCPC的的计计算算能能力力与与工工作作站站无无法法比比较较，加加上上9898年年以以前前的的TannerTanner集集成成电电路路设设计计工工具具缺缺少少电电路路图图设设计计和和电电路路SpiceSpice模模拟拟工工具具，人人们们习习惯惯地地把把这这套套软软件件看看成成一一个个档档次次较较低低的的产产品品。实实际际上上，与与工工作作在在工工作作站站UNIXUNIX平平台台上上的的CadenceCadence相相比比，TannerTanner新新版版本本并并不不逊逊色色，可可以以完完成成任任何何复复杂杂度度的的ICIC设计，且价格便宜得多。设计，且价格便宜得多。