Was ist eine integrierte Schaltung?
Ein integrierter Schaltkreis (IC) ist ein elektronischer Schaltkreis, der auf einem einzigen Halbleiterchip aufgebaut ist. Er ist die am häufigsten verwendete Form von elektronischen Bauteilen in Computern, Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten. Im Allgemeinen ist ein IC ein kleines Stück Silizium mit einer Größe von etwa einem Achtel Zoll im Quadrat, das Tausende oder Millionen von Transistoren, Widerständen und anderen Leiterplattenkomponenten enthält. Diese Art von Miniatur-Schaltkreisen ermöglicht die Ausführung einer Vielzahl von Funktionen bei einer viel geringeren Größe und mit einer höheren Effizienz, als wenn die Komponenten separat konstruiert würden.
Komponenten einer integrierten Schaltung
Integrierte Schaltkreise bestehen aus mehreren Komponenten, von denen jede eine bestimmte Funktion erfüllt. Diese Komponenten sind in der Regel durch winzige Metallbahnen miteinander verbunden, über die elektrische Signale zwischen den verschiedenen Teilen des Schaltkreises übertragen werden. Die Komponenten sind in der Regel sehr klein und haben eine Größe von wenigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern. Dadurch kann eine große Anzahl von Komponenten auf einem einzigen Chip untergebracht werden, was ein höheres Maß an Komplexität und Funktionalität ermöglicht.
Vorteile integrierter Schaltkreise
Integrierte Schaltkreise sind leistungsstarke Werkzeuge, mit denen wir die Komplexität und Funktionalität unserer Elektronik steigern können. Durch die Platzierung mehrerer Komponenten auf einem einzigen Chip können wir den Platzbedarf für ein Gerät reduzieren. Dies wiederum senkt die Kosten und erhöht die Effizienz des Geräts. Die Integration von Komponenten trägt auch dazu bei, elektromagnetische Störungen zu reduzieren, sodass unsere Elektronik zuverlässiger funktioniert. Integrierte Schaltkreise sind die Grundlage der modernen Elektronik und für unser tägliches Leben unverzichtbar.
Anwendungen integrierter Schaltungen
Integrierte Schaltkreise bilden die Grundlage für die meisten modernen Elektronikgeräte. Sie werden in Computern, Mobiltelefonen, Fernsehern, Radios und vielen anderen elektronischen Geräten verwendet. Auch in Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen, Mikrowellen und Geschirrspülern sind sie zu finden. Darüber hinaus werden sie zunehmend in medizinischen Geräten, Industriemaschinen und Automobilsystemen eingesetzt.
Übersicht über den IC-Entwurfsprozess
IC-Design ist ein komplexer Prozess zur Entwicklung elektronischer Schaltungen. Er umfasst mehrere Schritte, darunter Front-End-Design, Back-End-Design und Endmontage. Der Prozess ist sehr iterativ und erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Designer und den Ingenieuren, um sicherzustellen, dass das Design alle erforderlichen Spezifikationen erfüllt. In jedem Schritt des Prozesses werden Prototypen erstellt, um zu testen und zu überprüfen, ob die Designs wie erwartet funktionieren.
Frontend-Design
Das Front-End-Design integrierter Schaltungen ist der Prozess der Entwicklung der grundlegenden Komponenten einer integrierten Schaltung (IC), wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren. Dies geschieht mithilfe verschiedener Tools, wie Schaltplanerfassung, Logiksynthese und Layout-Software. Das Ziel des Front-End-Designs ist es, eine IC zu entwickeln, die die gewünschten Spezifikationen erfüllt.
IC-Spezifikationen
Die IC-Spezifikationen des IC-Designs definieren die Kernkomponenten und Eigenschaften, die der Schaltkreis enthalten muss. Sie bilden die Grundlage, auf der der gesamte Designprozess aufbaut. Die Spezifikationen sollten alle Anforderungen erfassen, die für ein erfolgreiches IC-Design erforderlich sind. Darüber hinaus müssen sie sich an die sich ändernden Anforderungen und Technologien der Branche anpassen können. Die richtigen IC-Spezifikationen sind für einen effizienten und effektiven Designprozess von entscheidender Bedeutung. Daher ist es wichtig, sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß festgelegt sind, um den Erfolg zu gewährleisten.
Detailplanung
Fabless entwickelt eine Designlösung und eine spezifische Implementierungsarchitektur gemäß den vom Kunden vorgegebenen Spezifikationsanforderungen und teilt die Modulfunktionen auf.
HDL-Codierung
HDL ist eine leistungsstarke Hardwarebeschreibungssprache für den IC-Entwurf. Sie bietet eine effiziente Möglichkeit, komplexe Entwürfe zu beschreiben, und ermöglicht eine frühzeitige Validierung der Funktionalität des Entwurfs. HDL ist in der Industrie weit verbreitet und damit eine unverzichtbare Technologie für moderne IC-Entwickler. Die Flexibilität und Skalierbarkeit von HDL macht es für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen und auf mehreren Plattformen vorteilhaft. Dies ermöglicht es Designern, effiziente und umfassende IC-Designs zu entwickeln, die für ihre spezifischen Anforderungen gut geeignet sind. HDL ist ein entscheidendes Werkzeug für den Erfolg jedes IC-Designprojekts, und seine Verwendung sollte von jedem Designer, der einen erfolgreichen integrierten Schaltkreis entwickeln möchte, ernsthaft in Betracht gezogen werden.
Simulationsüberprüfung
Die Simulationsüberprüfung ist ein wesentlicher Schritt im IC-Designprozess. Sie hilft Designern, potenzielle Fehler und Designmängel während der Entwicklungsphase zu identifizieren. Dieser Prozess umfasst die Durchführung von Simulationen und Tests an den IC-Designs, um sicherzustellen, dass sie den erforderlichen Spezifikationen und Standards entsprechen. Die Simulationsüberprüfung ist nützlich, um Fehler zu erkennen, Designprobleme zu beheben und die Leistung des IC-Designs zu optimieren. Darüber hinaus ermöglicht sie Designern ein besseres Verständnis dafür, wie sich ihre IC-Designs unter realen Bedingungen verhalten werden. Daher spielt die Simulationsverifizierung eine wichtige Rolle bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit von IC-Designs, bevor diese in der Produktion eingesetzt werden.
(Simulationsverifizierungswerkzeuge: VCS von Synopsys und NC-Verilog von Cadence.)
Logiksynthese – Design Compiler
Die Simulationsüberprüfung ist bestanden, und die Logiksynthese wird durchgeführt. Das Ergebnis der Logiksynthese ist die Übersetzung des entworfenen und implementierten HDL-Codes in eine Netzliste auf Gate-Ebene. Für die Synthese müssen Einschränkungen festgelegt werden, d. h. die Standards, die die synthetisierte Schaltung in Bezug auf Zielparameter wie Fläche und Timing erfüllen soll. Die Logiksynthese muss auf einer bestimmten umfassenden Bibliothek basieren. In verschiedenen Bibliotheken unterscheiden sich die Fläche der Basisstandardzelle (Standardzelle) der Gate-Schaltung und die Timing-Parameter.
Daher unterscheiden sich die ausgewählten umfassenden Bibliotheken, und die synthetisierten Schaltungen unterscheiden sich in Bezug auf Timing und Fläche. Im Allgemeinen muss nach Abschluss der Synthese erneut eine Simulationsüberprüfung durchgeführt werden (dies wird auch als Post-Simulation bezeichnet, während die vorherige als Pre-Simulation bezeichnet wird).
(Logik-Synthese-Tool: Design Compiler von Synopsys)
STA
STA steht für „Static Timing Analysis“ (statische Timing-Analyse) und gehört ebenfalls zur Kategorie der Verifizierung. Dabei wird die Schaltung hauptsächlich hinsichtlich des Timings überprüft und kontrolliert, ob die Schaltung Verstöße gegen die Setup-Zeit und Hold-Zeit (Verstöße) aufweist. Dies ist Grundwissen über digitale Schaltungen. Wenn diese beiden Timing-Verstöße in einem Register auftreten, gibt es keine Möglichkeit, Daten korrekt zu erfassen und auszugeben, sodass es definitiv zu Problemen mit der Funktion von digitalen Chips kommen wird, die auf Registern basieren.
(Das STA-Tool: Prime Time von Synopsys.)
Formale Verifizierung
Dies ist auch die Verifikationskategorie, die die synthetisierte Netzliste aus der Funktion verifiziert (STA ist Timing). Die am häufigsten verwendete Methode ist die Äquivalenzprüfungsmethode. Mit dem HDL-Design nach der Funktionsverifikation als Referenz werden die Netzlistenfunktionen nach der Synthese verglichen, um festzustellen, ob sie funktional äquivalent sind. Dies geschieht, um sicherzustellen, dass die durch das ursprüngliche HDL beschriebene Schaltungsfunktion während des Logiksynthesevorgangs nicht verändert wurde.
(Das formale Verifikationswerkzeug: Synopsys Formality.)
Backend-Design
Das Backend-Design integrierter Schaltkreise ist die Phase des Designprozesses, in der das physikalische Layout des Schaltkreises erstellt wird. Dazu gehören das Design der Metallmasken, das Routing der Metallschichten und andere physikalische Aspekte des Schaltkreises. Das Backend-Design ist oft der längste und detaillierteste Teil des Designprozesses und entscheidend für die korrekte Funktion des Schaltkreises. Dies kann auch fortgeschrittene Techniken wie die Verwendung von Redistribution Layers (RDL) für eine optimierte Konnektivität umfassen.
Gezielte Kraftübertragung
Design For Test, Design für Testbarkeit. Chips verfügen oft über integrierte Testschaltungen, und der Zweck von DFT besteht darin, zukünftige Tests bereits während des Designs zu berücksichtigen. Ein gängiger Ansatz für DFT ist das Einfügen von Scan-Ketten in das Design, um nicht-scannbare Einheiten (wie Register) in scannbare Einheiten umzuwandeln. Zu DFT gibt es detaillierte Einführungen in einigen Büchern, daher ist es einfacher, es anhand von Bildern zu verstehen.
(DFT-Tool: DFT Compiler von Synopsys)
Grundriss
Der Floorplan dient dazu, das Makrozellenmodul des Chips zu platzieren und generell die Anordnung verschiedener Funktionsschaltungen wie IP-Module, RAM, I/O-Pins usw. festzulegen. Der Floorplan kann sich direkt auf die endgültige Fläche des Chips auswirken.
(Die Floorplan-Tools: Astro von Synopsys)
CTS
Clock Tree Synthesis, Clock Tree Synthesis, einfach ausgedrückt, ist die Verdrahtung des Takts. Aufgrund der globalen Steuerfunktion des Taktsignals im digitalen Chip sollte dessen Verteilung symmetrisch mit jeder Registereinheit verbunden sein, damit die Taktverzögerungsdifferenz am geringsten ist, wenn der Takt jede Registereinheit von derselben Taktquelle aus erreicht. Aus diesem Grund müssen die Taktsignale auch separat geführt werden.
(Das CTS-Tool: Physical Compiler von Synopsys.)
Layout & Route
Die Verdrahtung hier ist eine gewöhnliche Signalverdrahtung, einschließlich der Verdrahtung zwischen verschiedenen Standardeinheiten (grundlegende Logikgatter-Schaltungen). Beispielsweise ist der 0,13-µm-Prozess, von dem wir normalerweise hören, oder der 90-nm-Prozess tatsächlich die minimale Breite, die die Metallverdrahtung hier erreichen kann, und aus mikroskopischer Sicht die Kanallänge der MOS-Röhre.
(Das Routing-Tool: Astro von Synopsys)
Parasitäre Extraktion
Die parasitäre Extraktion von IC-Designs ist ein wichtiger Prozess bei der Entwicklung integrierter Schaltkreise. Dabei werden parasitäre Elemente wie Kapazität, Induktivität und Widerstand aus dem physikalischen Layout des Schaltkreises extrahiert. Dieser Prozess ist entscheidend, um sicherzustellen, dass das IC-Design die vom Anwender gewünschten Leistungsanforderungen erfüllt. Die Genauigkeit der parasitären Extraktion spielt auch eine wichtige Rolle dabei, sicherzustellen, dass sich das Design wie erwartet verhält. Insgesamt ist die parasitäre Extraktion des IC-Designs ein entscheidender Schritt, um eine gute Betriebsleistung einer integrierten Schaltung zu erreichen.
(Werkzeug zur parasitären Extraktion: Synopsys Star-RCXT)
Physikalische Überprüfung
Die physikalische Überprüfung des Layout-Designs integrierter Schaltungen ist ein entscheidender Schritt im IC-Designprozess. Sie erfolgt nach dem Schaltungsdesign und umfasst in der Regel die Verwendung von LVS-Überprüfung (Layout vs. Schematic), DRC (Design Rule Checker) und ERC (Electrical Rule Checker). Die LVS-Verifizierung überprüft, ob das physikalische Layout mit dem Schaltplan übereinstimmt. DRC überprüft auf Verstöße gegen die durch den Fertigungsprozess festgelegten Designregeln, während ERC auf elektrische Fehler überprüft. All diese Überprüfungen sind wichtig, um sicherzustellen, dass das Design korrekt und fertigungsbereit ist. Die physikalische Verifizierung trägt dazu bei, dass das IC-Design die gewünschten Spezifikationen und Anforderungen erfüllt.
(Das physikalische Verifizierungswerkzeug: Hercules von Synopsys)
Der Abschluss der physikalischen Layout-Verifizierung bedeutet, dass die gesamte Chip-Designphase abgeschlossen ist und nun die Chip-Fertigung folgt.
Tipps und Tricks zum IC-Design
– Die Projektanforderungen im Detail verstehen.
– Das Design in Blöcke unterteilen und Aufgaben zuweisen.
– Die Leistungsanforderungen analysieren und die richtigen Geräte auswählen.
– Das Schaltkreisdesign sorgfältig unter Berücksichtigung der Designregeln entwerfen. – Das Design mit
Simulationen validieren.
– Das Design debuggen
und eine Layoutoptimierung durchführen.- GDS generieren und das Design auf der Zielplatine validieren.
– Verwenden Sie Techniken zur Leistungsabschätzung
und -optimierung. – Wählen Sie die richtigen Komponenten
aus.- Berücksichtigen Sie Timing- und Leistungsbeschränkungen
.- Nutzen Sie Design-Automatisierungstools.
– Führen Sie Verifizierungen
und Design-Debugging durch.- Nutzen Sie fortschrittliche IC-Design-Tools
.- Verwenden Sie hierarchisches Design für komplexe Designs
.- Achten Sie auf Kompromisse zwischen Leistung, Fläche und Performance.
– Entwerfen Sie mit Blick auf Testbarkeit und Debugging.
– Erstellen Sie eine umfassende Designdokumentation.
