Cos'è un circuito integrato?
Un circuito integrato (CI) è un circuito elettronico costruito su un singolo chip semiconduttore. È la forma più comunemente utilizzata di dispositivo elettronico in computer, telefoni cellulari e altri dispositivi elettronici. Generalmente, un CI è un piccolo pezzo di silicio, di circa un ottavo di pollice quadrato, che contiene migliaia o milioni di transistor, resistori e altri componenti per circuiti stampati. Questo tipo di circuiti miniaturizzati consente di eseguire una varietà di funzioni in dimensioni molto ridotte e con maggiore efficienza rispetto a quando i componenti sono costruiti separatamente.
Componenti di un circuito integrato
I circuiti integrati sono costituiti da diversi componenti, ciascuno dei quali svolge una funzione specifica. Questi componenti sono tipicamente collegati tra loro da minuscole tracce metalliche, utilizzate per trasportare i segnali elettrici tra le varie parti del circuito. I componenti sono solitamente molto piccoli, che vanno da pochi micrometri a pochi millimetri di dimensione. Ciò consente di posizionare un gran numero di componenti su un singolo chip, consentendo un maggiore grado di complessità e funzionalità.
Vantaggi dei circuiti integrati
I circuiti integrati sono strumenti potenti che ci consentono di aumentare la complessità e la funzionalità dei nostri dispositivi elettronici. Posizionando più componenti su un singolo chip, possiamo ridurre la quantità di spazio richiesta per un dispositivo. Questo, a sua volta, riduce i costi e aumenta l’efficienza del dispositivo. L’integrazione dei componenti aiuta anche a ridurre le interferenze elettromagnetiche, consentendo ai nostri dispositivi elettronici di funzionare in modo più affidabile. I circuiti integrati sono il fondamento dell’elettronica moderna e sono essenziali per la nostra vita quotidiana.
Applicazioni dei circuiti integrati
I circuiti integrati sono la base per la maggior parte dell’elettronica moderna. Sono utilizzati in computer, telefoni cellulari, televisori, radio e molti altri dispositivi elettronici. Possono essere trovati anche in elettrodomestici come lavatrici, forni a microonde e lavastoviglie. Inoltre, vengono sempre più utilizzati in dispositivi medici, macchinari industriali e sistemi automobilistici.
Panoramica del processo di progettazione del CI
La progettazione del CI è un processo complesso per la progettazione di circuiti elettronici. Comporta diversi passaggi, tra cui la progettazione front-end, la progettazione back-end e l’assemblaggio finale. Il processo è altamente iterativo e richiede una stretta collaborazione tra il progettista e gli ingegneri per garantire che il progetto soddisfi tutte le specifiche richieste. Ad ogni fase del processo, vengono creati prototipi per testare e verificare che i progetti funzionino come previsto.
Progettazione front-end
La progettazione front-end di circuiti integrati è il processo di progettazione dei componenti di base di un circuito integrato (CI), come transistor, resistori e condensatori. Questo viene fatto utilizzando una varietà di strumenti, come l’acquisizione schematica, la sintesi logica e il software di layout. L’obiettivo della progettazione front-end è creare un CI che soddisfi le specifiche desiderate.
Specifiche del CI
Le specifiche del CI della progettazione del CI definiscono i componenti e gli attributi principali che il circuito deve incorporare. È il fondamento su cui verrà costruito l’intero processo di progettazione. Le specifiche dovrebbero essere in grado di catturare tutti i requisiti necessari per creare un progetto di CI di successo. Inoltre, deve essere in grado di adattarsi alle mutevoli esigenze e tecnologie del settore. Le corrette specifiche del CI sono fondamentali per un processo di progettazione efficiente ed efficace, quindi è importante assicurarsi che siano stabilite correttamente per garantire il successo.
Progettazione dettagliata
Fabless propone una soluzione di progettazione e un’architettura di implementazione specifica in base ai requisiti di specifica presentati dal cliente e divide le funzioni del modulo.
Codifica HDL
HDL è un potente linguaggio di descrizione hardware per la progettazione di circuiti integrati. Fornisce un mezzo efficiente per descrivere progetti complessi e consente una convalida precoce della funzionalità del progetto. HDL è ampiamente utilizzato nel settore, rendendolo una tecnologia essenziale per i moderni progettisti di circuiti integrati. La flessibilità e la scalabilità di HDL lo rendono vantaggioso per l’uso in una varietà di applicazioni e su più piattaforme. Ciò consente ai progettisti di sviluppare progetti di circuiti integrati efficienti e completi, ben adatti alle loro esigenze specifiche. HDL è uno strumento fondamentale per il successo di qualsiasi progetto di progettazione di circuiti integrati e il suo utilizzo dovrebbe essere fortemente preso in considerazione da qualsiasi progettista che desideri creare un circuito integrato di successo.
Verifica della simulazione
La verifica della simulazione è una fase essenziale nel processo di progettazione di circuiti integrati. Aiuta i progettisti a identificare eventuali errori e difetti di progettazione durante la fase di sviluppo. Questo processo prevede l’esecuzione di simulazioni e test sui progetti di circuiti integrati per garantire che soddisfino le specifiche e gli standard richiesti. La verifica della simulazione è utile per rilevare bug, risolvere problemi di progettazione e ottimizzare le prestazioni del progetto di circuiti integrati. Inoltre, consente ai progettisti di comprendere meglio come si comporteranno i loro progetti di circuiti integrati in condizioni reali. Pertanto, la verifica della simulazione svolge un ruolo importante nel garantire l’affidabilità dei progetti di circuiti integrati prima che vengano implementati in produzione.
(strumento di verifica della simulazione: Synopsys’ VCS , e Cadence’s NC-Verilog.)
Sintesi logica—Design Compiler
La verifica della simulazione è superata e viene eseguita la sintesi logica. Il risultato della sintesi logica è tradurre il codice HDL progettato e implementato in una netlist a livello di gate. La sintesi deve impostare vincoli, che sono gli standard che si desidera che il circuito sintetizzato soddisfi in termini di parametri di destinazione come area e tempi. La sintesi logica deve basarsi su una libreria completa specifica. In librerie diverse, l’area della cella standard di base (standard cell) del circuito gate e i parametri di temporizzazione sono diversi.
Pertanto, le librerie complete selezionate sono diverse e i circuiti sintetizzati sono diversi in termini di tempi e area. Generalmente, dopo che la sintesi è completata, è necessario eseguire nuovamente la verifica della simulazione (questo è anche chiamato post-simulazione e il precedente è chiamato pre-simulazione).
(Strumento di sintesi logica: Design Compiler di Synopsys.)
STA
STA, significa analisi statica dei tempi, che appartiene anche alla categoria della verifica, verifica principalmente il circuito in termini di tempi e controlla se il circuito presenta violazioni dei tempi di setup e hold (violazione). Questa è la conoscenza di base dei circuiti digitali. Quando queste due violazioni dei tempi si verificano in un registro, non c’è modo di campionare correttamente i dati e i dati di output, quindi ci saranno sicuramente problemi con la funzione dei chip digitali basati su registri.
(Lo strumento STA: Prime Time di Synopsys.)
Verifica formale
Questa è anche la categoria di verifica, che serve a verificare la netlist sintetizzata dalla funzione (STA è il timing). Il metodo più comunemente usato è il metodo di verifica dell’equivalenza. Con il design HDL dopo la verifica funzionale come riferimento, confrontare le funzioni della netlist dopo la sintesi per vedere se sono funzionalmente equivalenti. Questo viene fatto per garantire che la funzione del circuito descritta dall’HDL originale non sia stata modificata durante il processo di sintesi logica.
(Lo strumento di verifica formale: Synopsys Formality.)
Design di back-end
Il design di back-end dei circuiti integrati è la fase del processo di progettazione in cui viene creato il layout fisico del circuito. Ciò include la progettazione delle maschere metalliche, il routing degli strati metallici e altri aspetti fisici del circuito. Il design di back-end è spesso la parte più lunga e dettagliata del processo di progettazione ed è fondamentale per garantire che il circuito funzioni correttamente. Questo può anche comportare tecniche avanzate come l’utilizzo di Redistribution Layers (RDL) per una connettività ottimizzata.
DFT
Design For Test, progettazione per la testabilità. I chip spesso hanno circuiti di test integrati e lo scopo del DFT è considerare i test futuri durante la progettazione. Un approccio comune al DFT è inserire catene di scansione nel design per trasformare le unità non di scansione (come i registri) in unità di scansione. Per quanto riguarda il DFT, ci sono introduzioni dettagliate in alcuni libri, quindi è più facile capirlo confrontandolo con le immagini.
(Strumento DFT: Synopsys’ DFT Compiler)
Floorplan
Il floorplan consiste nel posizionare il modulo macrocella del chip e, in generale, determinare il posizionamento di vari circuiti funzionali, come i moduli IP, la RAM, i pin I/O e così via. Il floor planning può influire direttamente sull’area finale del chip.
(Gli strumenti Floorplan: Synopsys’ Astro)
CTS
Clock Tree Synthesis, sintesi dell’albero di clock, in parole povere, è il cablaggio dell’orologio. A causa della funzione di comando globale del segnale di clock nel chip digitale, la sua distribuzione dovrebbe essere collegata simmetricamente a ciascuna unità di registro, in modo che quando l’orologio raggiunge ciascun registro dalla stessa sorgente di clock, la differenza di ritardo dell’orologio sia la più piccola. Questo è anche il motivo per cui i segnali di clock devono essere instradati separatamente.
(Lo strumento CTS: Physical Compiler di Synopsys.)
Layout & Route
Il route qui è il cablaggio del segnale ordinario, incluso il cablaggio tra varie unità standard (circuiti logici di base). Ad esempio, il processo da 0,13um che sentiamo di solito, o il processo da 90nm, è in realtà la larghezza minima che il cablaggio metallico può raggiungere qui, ed è la lunghezza del canale del MOS da un punto di vista microscopico.
(Lo strumento di routing: Astro di Synopsys)
Estrazione parassita
L’estrazione parassita del design di un circuito integrato è un processo importante nello sviluppo di circuiti integrati. È un processo di estrazione di elementi parassiti come capacità, induttanza e resistenza dal layout fisico del circuito. Questo processo è fondamentale per garantire che il design del circuito integrato soddisfi i requisiti di prestazione desiderati dall’utente. L’accuratezza dell’estrazione parassita gioca anche un ruolo chiave nel garantire che il design si comporti come previsto. Nel complesso, l’estrazione parassita del design di un circuito integrato è un passo cruciale per ottenere buone prestazioni operative da un circuito integrato.
(Strumento di estrazione parassita: Synopsys Star-RCXT)
Verifica Fisica
La verifica fisica del layout del design di un circuito integrato è un passo cruciale nel processo di progettazione di un circuito integrato. Si verifica dopo la progettazione schematica e in genere comporta l’uso della verifica LVS (Layout vs Schematic), DRC (Design Rule Checker) e ERC (Electrical Rule Checker). La verifica LVS verifica che il layout fisico corrisponda alla progettazione schematica. Il DRC verifica le violazioni delle regole di progettazione impostate dal processo di fabbricazione, mentre l’ERC verifica gli errori elettrici. Tutti questi controlli sono importanti per assicurarsi che il design sia corretto e pronto per essere fabbricato. La verifica fisica aiuta a garantire che il design del circuito integrato soddisfi le specifiche e i requisiti desiderati.
(Lo strumento di verifica fisica: Hercules di Synopsys)
Il completamento della verifica del layout fisico significa che l’intera fase di progettazione del chip è completata e di seguito la fabbricazione del chip.
Suggerimenti e trucchi per la progettazione di circuiti integrati
– Comprendere in dettaglio i requisiti del progetto.
– Dividere il design in blocchi e assegnare compiti.
– Analizzare i requisiti di potenza e scegliere i dispositivi corretti.
– Progettare il circuito con attenzione tenendo presente le regole di progettazione.
– Convalidare il design con simulazioni.
– Debug del design ed esecuzione dell’ottimizzazione del layout.
– Generare GDS e convalidare il design sulla scheda di destinazione.
– Utilizzare tecniche di stima e ottimizzazione della potenza.
– Scegliere i componenti giusti.
– Considerare i vincoli di temporizzazione e potenza.
– Utilizzare strumenti di automazione della progettazione.
– Eseguire la verifica e il debug del design.
– Sfruttare gli strumenti avanzati di progettazione di circuiti integrati.
– Utilizzare la progettazione gerarchica per progetti complessi.
– Tenere presente i compromessi tra potenza, area e prestazioni.
– Progettare per la testabilità e la debugabilità.
– Creare una documentazione di progettazione completa.
