¿Qué es un circuito integrado?
Un circuito integrado (IC) es un circuito electrónico construido sobre un único chip semiconductor. Es el tipo de dispositivo electrónico más utilizado en ordenadores, teléfonos móviles y otros aparatos electrónicos. Por lo general, un IC es una pequeña pieza de silicio, de aproximadamente un octavo de pulgada cuadrada, que contiene miles o millones de transistores, resistencias y otros componentes de placas de circuitos. Este tipo de circuitos en miniatura permite realizar una gran variedad de funciones con un tamaño mucho más reducido y una mayor eficiencia que si los componentes se construyeran por separado.
Componentes de un circuito integrado
Los circuitos integrados están compuestos por varios componentes, cada uno de los cuales realiza una función específica. Estos componentes suelen estar conectados entre sí por diminutas pistas metálicas, que se utilizan para transportar señales eléctricas entre las distintas partes del circuito. Los componentes suelen ser muy pequeños, con un tamaño que oscila entre unos pocos micrómetros y unos pocos milímetros. Esto permite colocar un gran número de componentes en un solo chip, lo que permite un mayor grado de complejidad y funcionalidad.
Ventajas de los circuitos integrados
Los circuitos integrados son herramientas poderosas que nos permiten aumentar la complejidad y la funcionalidad de nuestros dispositivos electrónicos. Al colocar múltiples componentes en un solo chip, podemos reducir el espacio necesario para un dispositivo. Esto, a su vez, reduce los costes y aumenta la eficiencia del dispositivo. La integración de componentes también ayuda a reducir las interferencias electromagnéticas, lo que permite que nuestros dispositivos electrónicos funcionen de forma más fiable. Los circuitos integrados son la base de la electrónica moderna y son esenciales para nuestra vida cotidiana.
Aplicaciones de los circuitos integrados
Los circuitos integrados son la base de la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos. Se utilizan en ordenadores, teléfonos móviles, televisores, radios y muchos otros dispositivos electrónicos. También se pueden encontrar en electrodomésticos como lavadoras, microondas y lavavajillas. Además, cada vez se utilizan más en dispositivos médicos, maquinaria industrial y sistemas automovilísticos.
Descripción general del proceso de diseño de circuitos integrados
El diseño de circuitos integrados es un proceso complejo para diseñar circuitos electrónicos. Implica varios pasos, incluyendo el diseño inicial, el diseño final y el montaje final. El proceso es muy iterativo y requiere una estrecha colaboración entre el diseñador y los ingenieros para garantizar que el diseño cumpla con todas las especificaciones requeridas. En cada paso del proceso, se crean prototipos para probar y verificar que los diseños funcionan según lo esperado.
Diseño front-end
El diseño frontal de circuitos integrados es el proceso de diseñar los componentes básicos de un circuito integrado (IC), como transistores, resistencias y condensadores. Esto se realiza utilizando diversas herramientas, como software de captura esquemática, síntesis lógica y diseño. El objetivo del diseño frontal es crear un IC que cumpla con las especificaciones deseadas.
Especificaciones del circuito integrado
Las especificaciones de diseño de circuitos integrados definen los componentes y atributos básicos que debe incorporar el circuito. Son la base sobre la que se construirá todo el proceso de diseño. Las especificaciones deben poder capturar todos los requisitos necesarios para crear un diseño de circuito integrado satisfactorio. Además, deben poder adaptarse a las necesidades y tecnologías cambiantes de la industria. Las especificaciones correctas de los circuitos integrados son cruciales para un proceso de diseño eficiente y eficaz, por lo que es importante asegurarse de que estén correctamente establecidas para garantizar el éxito.
Diseño detallado
Fabless propone una solución de diseño y una arquitectura de implementación específica de acuerdo con los requisitos de especificación presentados por el cliente, y divide las funciones del módulo.
Codificación HDL
HDL es un potente lenguaje de descripción de hardware para el diseño de circuitos integrados. Proporciona un medio eficaz para describir diseños complejos y permite validar de forma temprana la funcionalidad del diseño. HDL se utiliza ampliamente en la industria, lo que lo convierte en una tecnología esencial para los diseñadores de circuitos integrados modernos. La flexibilidad y escalabilidad del HDL lo hacen ventajoso para su uso en una variedad de aplicaciones y en múltiples plataformas. Esto permite a los diseñadores desarrollar diseños de circuitos integrados eficientes y completos que se adaptan bien a sus necesidades específicas. El HDL es una herramienta fundamental para el éxito de cualquier proyecto de diseño de circuitos integrados y su uso debe ser tenido muy en cuenta por cualquier diseñador que desee crear un circuito integrado exitoso.
Verificación de simulación
La verificación mediante simulación es un paso esencial en el proceso de diseño de circuitos integrados. Ayuda a los diseñadores a identificar posibles errores y defectos de diseño durante la fase de desarrollo. Este proceso implica realizar simulaciones y pruebas en los diseños de circuitos integrados para garantizar que cumplen con las especificaciones y normas requeridas. La verificación mediante simulación es útil para detectar errores, resolver problemas de diseño y optimizar el rendimiento del diseño del circuito integrado. Además, permite a los diseñadores comprender mejor cómo se comportarán sus diseños de circuitos integrados en condiciones reales. Por lo tanto, la verificación por simulación desempeña un papel importante a la hora de garantizar la fiabilidad de los diseños de circuitos integrados antes de su implementación en la producción.
(Herramientas de verificación por simulación: VCS de Synopsys y NC-Verilog de Cadence).
Síntesis lógica: compilador de diseño
Se supera la verificación de la simulación y se lleva a cabo la síntesis lógica. El resultado de la síntesis lógica es traducir el código HDL diseñado e implementado a una lista de redes a nivel de puerta. La síntesis necesita establecer restricciones, que son los estándares que se desean que cumpla el circuito sintetizado en términos de parámetros objetivo, como el área y la sincronización. La síntesis lógica debe basarse en una biblioteca completa específica. En diferentes bibliotecas, el área de la celda estándar básica (celda estándar) del circuito de puerta y los parámetros de temporización son diferentes.
Por lo tanto, las bibliotecas completas seleccionadas son diferentes y los circuitos sintetizados son diferentes en cuanto a sincronización y área. En términos generales, una vez completada la síntesis, es necesario volver a realizar la verificación de la simulación (esto también se denomina posimulación, y la anterior se denomina presimulación).
(Herramienta de síntesis lógica: Design Compiler de Synopsys).
STA
STA, es decir, análisis de temporización estática, que también pertenece a la categoría de verificación, verifica principalmente el circuito en términos de temporización y comprueba si el circuito tiene violaciones del tiempo de configuración y del tiempo de retención (violación). Este es el conocimiento básico de los circuitos digitales. Cuando estas dos violaciones de temporización se producen en un registro, no hay forma de muestrear y emitir datos correctamente, por lo que definitivamente habrá problemas con la función de los chips digitales basados en registros.
(La herramienta STA: Prime Time de Synopsys).
Verificación formal
Esta es también la categoría de verificación, que consiste en verificar la lista de redes sintetizada a partir de la función (STA es sincronización). El método más utilizado es el método de comprobación de equivalencia. Con el diseño HDL tras la verificación funcional como referencia, se comparan las funciones de la lista de redes tras la síntesis para ver si son funcionalmente equivalentes. Esto se hace para garantizar que la función del circuito descrita por el HDL original no ha cambiado durante el proceso de síntesis lógica.
(La herramienta de verificación formal: Synopsys Formality).
Diseño del back-end
El diseño back-end de circuitos integrados es la etapa del proceso de diseño en la que se crea la disposición física del circuito. Esto incluye el diseño de las máscaras metálicas, el enrutamiento de las capas metálicas y otros aspectos físicos del circuito. El diseño back-end suele ser la parte más larga y detallada del proceso de diseño, y es fundamental para garantizar que el circuito funcione correctamente. Esto también puede implicar técnicas avanzadas como el uso de capas de redistribución (RDL) para optimizar la conectividad.
Transferencia de fuerza dirigida
Diseño para pruebas, diseño para facilitar las pruebas. Los chips suelen tener circuitos de prueba integrados, y el objetivo del DFT es tener en cuenta las pruebas futuras durante el diseño. Un enfoque habitual del DFT consiste en insertar cadenas de exploración en el diseño para convertir las unidades no explorables (como los registros) en unidades explorables. En cuanto al DFT, hay introducciones detalladas en algunos libros, por lo que es más fácil entenderlo comparándolo con imágenes.
(Herramienta DFT: DFT Compiler de Synopsys)
Plano de planta
El plano de planta consiste en colocar el módulo macrocelular del chip y, en general, determinar la ubicación de varios circuitos funcionales, como módulos IP, RAM, pines de E/S, etc. La planificación del plano de planta puede afectar directamente al área final del chip.
(Herramientas de planificación del plano: Astro de Synopsys).
CTS
Síntesis del árbol de reloj, síntesis del árbol de reloj, en pocas palabras, es el cableado del reloj. Debido a la función de comando global de la señal de reloj en el chip digital, su distribución debe conectarse simétricamente a cada unidad de registro, de modo que cuando el reloj llega a cada registro desde la misma fuente de reloj, la diferencia de retardo del reloj sea la más pequeña. Esta es también la razón por la que las señales de reloj deben enrutarse por separado.
(La herramienta CTS: compilador físico de Synopsys).
Diseño y ruta
La ruta aquí es el cableado de señales ordinario, incluido el cableado entre varias unidades estándar (circuitos lógicos básicos). Por ejemplo, el proceso de 0,13 um del que solemos oír hablar, o el proceso de 90 nm, es en realidad el ancho mínimo que puede alcanzar el cableado metálico aquí, y es la longitud del canal del tubo MOS desde un punto de vista microscópico.
(La herramienta de enrutamiento: Astro de Synopsys)
Extracción parasitaria
La extracción parasitaria del diseño de circuitos integrados es un proceso importante en el desarrollo de circuitos integrados. Se trata de un proceso de extracción de elementos parasitarios, como la capacitancia, la inductancia y la resistencia, de la disposición física del circuito. Este proceso es fundamental para garantizar que el diseño del circuito integrado cumpla los requisitos de rendimiento deseados por el usuario. La precisión de la extracción parasitaria también desempeña un papel clave a la hora de garantizar que el diseño se comporte según lo esperado. En general, la extracción parasitaria del diseño de circuitos integrados es un paso crucial para lograr un buen rendimiento operativo de un circuito integrado.
(Herramienta de extracción de parásitos: Synopsys Star-RCXT)
Verificación física
La verificación física del diseño del layout de circuitos integrados es un paso crucial en el proceso de diseño de circuitos integrados. Se lleva a cabo después del diseño esquemático y suele implicar el uso de la verificación LVS (Layout vs Schematic), DRC (Design Rule Checker) y ERC (Electrical Rule Checker). La verificación LVS comprueba que el diseño físico coincide con el diseño esquemático. El DRC comprueba si se han infringido las reglas de diseño establecidas por el proceso de fabricación, mientras que el ERC comprueba si hay errores eléctricos. Todas estas comprobaciones son importantes para garantizar que el diseño sea correcto y esté listo para su fabricación. La verificación física ayuda a garantizar que el diseño del circuito integrado cumpla con las especificaciones y requisitos deseados.
(La herramienta de verificación física: Hercules de Synopsys)
La finalización de la verificación del diseño físico significa que toda la fase de diseño del chip ha concluido, y lo siguiente es la fabricación del chip.
Consejos y trucos para el diseño de circuitos integrados
– Comprender los requisitos del proyecto en detalle.
– Desglosar el diseño en bloques y asignar tareas.
– Analizar los requisitos de potencia y elegir los dispositivos adecuados.
– Diseñar el circuito cuidadosamente teniendo en cuenta las reglas de diseño.
– Validar el diseño con simulaciones
.- Depurar el diseño y realizar la optimización del diseño.
– Generar GDS y validar el diseño en la placa de destino.
– Utilizar
técnicas de estimación y optimización de la potencia.- Elegir
los componentes adecuados.- Tener en cuenta las restricciones
de tiempo y potencia.- Utilizar
herramientas de automatización del diseño.- Realizar la verificación
y la depuración del diseño.- Aprovechar las herramientas avanzadas de diseño de
circuitos integrados.- Utilizar el
diseño jerárquico para diseños complejos.- Tener en cuenta las compensaciones entre potencia, superficie y rendimiento.
– Diseñar para facilitar la comprobación y la depuración.
– Crear una documentación completa del diseño.
