集成電路設計，或稱 IC 設計，是更廣泛的電子工程知識體系的一部分。電子工程中有一個過程叫做電路設計。集成電路設計的目的是組裝能夠執(zhí)行特定功能的互連元件。一個簡單的例子就是數(shù)字加法或乘法的能力。另一個例子是開發(fā)執(zhí)行計算機指令以完成復雜任務的微處理器。

一、集成電路制造原理

這一過程中使用的電路元件從晶體管、電阻器、電容器和導線等基本構(gòu)件開始。在這些元件的基礎上，產(chǎn)生出更復雜的功能，如邏輯門或精密放大器，然后形成更復雜的功能，如加法器和乘法器。這一過程會自行繼續(xù)，從而產(chǎn)生越來越復雜的電路構(gòu)件。

電路設計使用分立、預制的元件來構(gòu)建電路。集成電路設計有一個重要區(qū)別。在這種情況下，電路元件由微小的元件組成，通過一種稱為光刻的工藝在硅基板上實現(xiàn)。光刻工藝在硅基板上形成不同的幾何形狀，改變該形狀所定義區(qū)域的電氣特性。當這些區(qū)域組合和重疊時，基本電路元件就產(chǎn)生了。

因此，集成電路的設計包括兩個不同的過程。首先，組裝電路元件，以實現(xiàn)所需的功能。然后，將實現(xiàn)這些電路元件的不同幾何形狀組裝并連接到硅基板上。第一個過程通常稱為邏輯設計或電路設計，第二個過程稱為物理設計。根據(jù)集成電路要處理的信號類型，可采用數(shù)字或模擬方法。對于模擬/混合信號或 AMS，兩種方法都要使用。此外，還必須考慮各個電路元件如何滿足設計要求。如果需要修改電路元件以滿足設計要求，則應采用特定的設計方法。

二、集成電路設計的重要性

集成電路設計是一門極其重要的學科。它是開發(fā)當今使用的所有微電子器件的基礎。這包括為便攜式電腦和移動電話提供動力的微處理器、為電腦顯示器和電視機提供動力的圖像處理電路，以及可穿戴和植入式醫(yī)療設備中使用的傳感器。這些微電子設備還使人工智能的應用日益廣泛，開辟了自動駕駛、機器視覺和自然語言處理等新領(lǐng)域。

人工智能技術(shù)在我們的世界中廣泛應用，而人工智能設計則構(gòu)成了制造這些設備所需的學科基礎。

三、集成電路(IC)設計流程

集成電路設計過程可視為一系列分層分解步驟。高層次的要求被分解成更詳細的要求，目的是在硅片上實現(xiàn)一個能完全滿足目標功能的電路。集成電路設計過程的關(guān)鍵步驟包括

1.架構(gòu)設計

在此確定集成電路所需的功能?？紤]集成電路的功能時要結(jié)合正在開發(fā)的系統(tǒng)。集成電路需要提供哪些功能?需要什么樣的速度和功耗?設備的價格應該是多少? 這些問題的答案構(gòu)成了選擇具體技術(shù)來實現(xiàn)設備的基礎。在現(xiàn)階段，"是什么 "是最重要的。 實施方法尚未明確。

2.邏輯/組件設計

在這一階段，要在宏觀層面上對構(gòu)件進行組裝和連接，以實現(xiàn)集成電路所需的功能。通常使用現(xiàn)有的構(gòu)件，如存儲器、處理單元和傳感器。高層電路元件的功能描述被分解為所需的低層電路元件。這一過程由稱為邏輯合成的軟件自動完成。對元件集合進行仿真，以驗證設計的功能。 根據(jù)模擬所需的詳細程度，可使用數(shù)字邏輯模擬器或模擬電路模擬器。如果需要對器件進行宏觀修改以滿足集成電路的要求，則應使用定制電路設計技術(shù)。這一步?jīng)Q定了芯片的 "實現(xiàn)方式"。

3.物理設計

這一步在硅片上創(chuàng)建實現(xiàn)所有所需電路元件的互連形狀的實際布局。這一過程從芯片 "藍圖 "開始，"藍圖 "明確了芯片所有主要功能的位置，以及設計的主要輸入和輸出連接位置。然后對最終電路元件進行定位和定向，為生產(chǎn)做好準備。如果需要在宏觀層面修改器件以適應集成電路的要求，則應使用集成電路版圖編輯工具應用定制版圖技術(shù)。 至此，芯片實施的 "如何 "已完全確定。

4.物理驗證

現(xiàn)在可以對制造過程中添加到設計中的所有物理效應進行建模。布線造成的額外電阻、信號串擾和制造工藝本身的變化只是需要考慮的眾多因素中的一部分。在這些壓力下，電路還能正常工作嗎?此外，對于如何將電路實際放置在硅晶片上進行制造，還有許多設計規(guī)則。這些設計規(guī)則也將在本步驟中進行審查。

5.驗證

這是設計送交生產(chǎn)前的最后一步。在此，所有影響電路性能或可制造性的關(guān)鍵參數(shù)都要根據(jù) Golden Signoff 質(zhì)量工具的結(jié)果進行檢查。在這一步驟中，設計規(guī)則與可制造性設計規(guī)則一起接受全面檢查。 設計時序、功耗和信號完整性也在此步驟中進行檢查和 "關(guān)閉"。在簽核過程中，必須仔細消除寄生現(xiàn)象，以確保充分了解工藝的物理效應，這一點非常重要。在此步驟中使用的 Synopsys 金牌簽核工具包括 IC Validator、PrimeTime®、PrimePower 和 StarRC。

在考慮先進半導體技術(shù)時，集成電路設計流程的另一個方面也變得非常重要。物理效應和工藝可變性在先進制造技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。例如，連接電路元件的導線的物理電阻會導致工作電壓發(fā)生顯著變化，從而影響電路性能。制造工藝的變化也會導致意想不到的電路行為。為避免這些問題，應在早期設計階段對布線延遲和工藝變化等后期影響進行建模和考慮，以確保這些影響不會對電路性能造成影響。

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