Apa itu sirkuit terpadu?
Sirkuit terpadu (IC) adalah sirkuit elektronik yang dibangun pada sebuah chip semikonduktor tunggal. Ini merupakan jenis perangkat elektronik yang paling umum digunakan dalam komputer, telepon seluler, dan perangkat elektronik lainnya. Secara umum, IC adalah sepotong kecil silikon, berukuran sekitar seperdelapan inci persegi, yang mengandung ribuan atau jutaan transistor, resistor, dan komponen papan sirkuit lainnya. Sirkuit miniatur jenis ini memungkinkan berbagai fungsi dijalankan dalam ukuran yang jauh lebih kecil dan dengan efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan jika komponen-komponen tersebut dibangun secara terpisah.
Komponen sirkuit terpadu
Sirkuit terpadu terdiri dari beberapa komponen, yang masing-masing menjalankan fungsi tertentu. Komponen-komponen ini biasanya dihubungkan satu sama lain melalui jalur logam yang sangat tipis, yang berfungsi untuk mengalirkan sinyal listrik antar bagian sirkuit. Ukuran komponen-komponen tersebut umumnya sangat kecil, berkisar antara beberapa mikrometer hingga beberapa milimeter. Hal ini memungkinkan penempatan sejumlah besar komponen pada satu chip, sehingga menghasilkan tingkat kompleksitas dan fungsionalitas yang lebih tinggi.
Manfaat sirkuit terpadu
Sirkuit terpadu merupakan alat yang sangat berguna yang memungkinkan kita meningkatkan kompleksitas dan fungsionalitas perangkat elektronik kita. Dengan menempatkan berbagai komponen ke dalam satu chip, kita dapat mengurangi ruang yang dibutuhkan untuk sebuah perangkat. Hal ini, pada gilirannya, menurunkan biaya dan meningkatkan efisiensi perangkat. Integrasi komponen juga membantu mengurangi gangguan elektromagnetik, sehingga perangkat elektronik kita dapat bekerja dengan lebih andal. Sirkuit terpadu merupakan fondasi elektronik modern dan sangat penting bagi kehidupan sehari-hari kita.
Penerapan sirkuit terpadu
Sirkuit terpadu merupakan dasar dari sebagian besar perangkat elektronik modern. Sirkuit ini digunakan dalam komputer, ponsel, televisi, radio, dan banyak perangkat elektronik lainnya. Sirkuit terpadu juga dapat ditemukan pada peralatan rumah tangga seperti mesin cuci, oven microwave, dan mesin pencuci piring. Selain itu, penggunaannya semakin meluas pada perangkat medis, mesin industri, dan sistem otomotif.
Gambaran Umum Proses Desain IC
Desain IC adalah proses yang kompleks dalam merancang sirkuit elektronik. Proses ini mencakup beberapa tahap, termasuk desain front-end, desain back-end, dan perakitan akhir. Proses ini bersifat sangat iteratif dan memerlukan kerja sama yang erat antara perancang dan para insinyur untuk memastikan bahwa desain tersebut memenuhi semua spesifikasi yang ditetapkan. Pada setiap tahap proses, dibuatlah prototipe untuk menguji dan memverifikasi bahwa desain tersebut berfungsi sesuai harapan.
Desain antarmuka pengguna
Desain front-end sirkuit terpadu adalah proses merancang komponen dasar sirkuit terpadu (IC), seperti transistor, resistor, dan kapasitor. Proses ini dilakukan dengan menggunakan berbagai alat, seperti perangkat lunak penangkapan skema, sintesis logika, dan perangkat lunak tata letak. Tujuan dari desain front-end adalah untuk menciptakan IC yang memenuhi spesifikasi yang diinginkan.
Spesifikasi IC
Spesifikasi IC dalam desain IC mendefinisikan komponen inti dan atribut yang harus dimiliki oleh sirkuit tersebut. Spesifikasi ini merupakan landasan yang menjadi dasar seluruh proses desain. Spesifikasi tersebut harus mampu mencakup semua persyaratan yang diperlukan untuk menghasilkan desain IC yang berhasil. Selain itu, spesifikasi tersebut harus dapat beradaptasi dengan kebutuhan dan perkembangan teknologi industri yang terus berubah. Spesifikasi IC yang tepat sangat penting untuk proses desain yang efisien dan efektif, sehingga penting untuk memastikan bahwa spesifikasi tersebut ditetapkan dengan benar guna menjamin keberhasilan.
Desain terperinci
Perusahaan fabless merancang solusi desain dan arsitektur implementasi khusus sesuai dengan persyaratan spesifikasi yang diajukan oleh pelanggan, serta membagi fungsi-fungsi modul.
Pengkodean HDL
HDL adalah bahasa deskripsi perangkat keras yang kuat untuk desain IC. Bahasa ini menyediakan cara yang efisien untuk mendeskripsikan desain yang kompleks dan memungkinkan validasi dini terhadap fungsionalitas desain. HDL banyak digunakan di industri, menjadikannya teknologi yang sangat penting bagi para perancang IC modern. Fleksibilitas dan skalabilitas HDL menjadikannya pilihan yang menguntungkan untuk digunakan dalam berbagai aplikasi dan pada berbagai platform. Hal ini memungkinkan para perancang untuk mengembangkan desain IC yang efisien dan komprehensif yang sesuai dengan kebutuhan spesifik mereka. HDL merupakan alat kritis dalam kesuksesan proyek desain IC apa pun, dan penggunaannya harus dipertimbangkan secara serius oleh setiap perancang yang ingin menciptakan sirkuit terpadu yang sukses.
Verifikasi simulasi
Verifikasi simulasi merupakan langkah penting dalam proses desain IC. Langkah ini membantu para perancang mengidentifikasi potensi kesalahan dan kelemahan desain selama fase pengembangan. Proses ini melibatkan pelaksanaan simulasi dan pengujian terhadap desain IC untuk memastikan bahwa desain tersebut memenuhi spesifikasi dan standar yang ditetapkan. Verifikasi simulasi berguna untuk mendeteksi bug, menyelesaikan masalah desain, dan mengoptimalkan kinerja desain IC. Selain itu, verifikasi simulasi memungkinkan para perancang untuk lebih memahami bagaimana desain IC mereka akan berperilaku dalam kondisi nyata. Oleh karena itu, verifikasi simulasi memainkan peran penting dalam memastikan keandalan desain IC sebelum diterapkan dalam produksi.
(Alat verifikasi simulasi: VCS dari Synopsys, dan NC-Verilog dari Cadence.)
Sintesis logika——Design Compiler
Verifikasi simulasi telah berhasil, dan sintesis logika pun dilakukan. Hasil dari sintesis logika adalah menerjemahkan kode HDL yang telah dirancang dan diimplementasikan menjadi netlist tingkat gerbang. Sintesis memerlukan penetapan batasan, yang merupakan standar yang harus dipenuhi oleh sirkuit hasil sintesis dalam hal parameter target seperti luas dan waktu. Sintesis logika harus didasarkan pada perpustakaan komprehensif tertentu. Di perpustakaan yang berbeda, luas sel standar dasar (standard cell) sirkuit gerbang dan parameter waktu berbeda.
Oleh karena itu, perpustakaan komprehensif yang dipilih berbeda-beda, dan sirkuit yang disintesis pun berbeda dalam hal waktu dan area. Secara umum, setelah sintesis selesai, verifikasi simulasi perlu dilakukan kembali (ini juga disebut simulasi pasca, sedangkan yang sebelumnya disebut simulasi pra).
(Alat sintesis logika: Design Compiler dari Synopsys)
STA
STA, singkatan dari static timing analysis, yang juga termasuk dalam kategori verifikasi, berfungsi terutama untuk memverifikasi sirkuit dari segi waktu, serta memeriksa apakah sirkuit tersebut mengalami pelanggaran waktu setup dan waktu hold (violation). Ini merupakan pengetahuan dasar mengenai sirkuit digital. Ketika kedua pelanggaran waktu ini terjadi pada sebuah register, tidak mungkin untuk mengambil sampel data dan mengeluarkan data dengan benar, sehingga pasti akan timbul masalah pada fungsi chip digital yang berbasis register.
(Alat STA: Prime Time dari Synopsys.)
Verifikasi formal
Ini juga merupakan kategori verifikasi, yang bertujuan untuk memverifikasi netlist hasil sintesis berdasarkan fungsinya (STA adalah verifikasi waktu). Metode yang paling umum digunakan adalah metode pemeriksaan kesetaraan. Dengan menggunakan desain HDL setelah verifikasi fungsional sebagai acuan, bandingkan fungsi netlist setelah sintesis untuk melihat apakah keduanya setara secara fungsional. Hal ini dilakukan untuk memastikan bahwa fungsi sirkuit yang dijelaskan oleh HDL asli tidak berubah selama proses sintesis logika.
(Alat verifikasi formal: Synopsys Formality.)
Desain back-end
Desain back-end sirkuit terpadu merupakan tahap dalam proses desain di mana tata letak fisik sirkuit dibuat. Hal ini mencakup perancangan masker logam, penataan jalur lapisan logam, serta aspek fisik lainnya dari sirkuit. Desain back-end sering kali merupakan bagian terpanjang dan paling mendetail dalam proses desain, serta sangat penting untuk memastikan bahwa sirkuit berfungsi dengan benar. Hal ini juga dapat melibatkan teknik-teknik canggih seperti penggunaan Lapisan Redistribusi (RDL) untuk mengoptimalkan konektivitas.
Transfer Gaya Terarah
Desain untuk Pengujian (Design For Test), desain untuk kemudahan pengujian. Chip sering kali dilengkapi dengan sirkuit pengujian bawaan, dan tujuan DFT adalah mempertimbangkan pengujian di masa mendatang selama proses desain. Pendekatan umum dalam DFT adalah menyisipkan rantai pemindaian ke dalam desain untuk mengubah unit non-pemindaian (seperti register) menjadi unit pemindaian. Mengenai DFT, terdapat penjelasan terperinci dalam beberapa buku, sehingga akan lebih mudah dipahami jika dibandingkan dengan gambar.
(Alat DFT: DFT Compiler dari Synopsys)
Denah lantai
Perencanaan tata letak bertujuan untuk menempatkan modul makrosel pada chip, serta secara umum menentukan penempatan berbagai sirkuit fungsional, seperti modul IP, RAM, pin I/O, dan sebagainya. Perencanaan tata letak dapat secara langsung memengaruhi luas akhir chip.
(Alat perencanaan tata letak: Astro dari Synopsys)
CTS
Sintesis Pohon Jam, atau clock tree synthesis, secara sederhana dapat diartikan sebagai proses pengkabelan sinyal jam. Karena peran sinyal jam yang bersifat global dalam chip digital, distribusinya harus disambungkan secara simetris ke setiap unit register, sehingga ketika sinyal jam mencapai setiap register dari sumber jam yang sama, perbedaan penundaan sinyal jam menjadi seminimal mungkin. Inilah juga alasan mengapa sinyal jam perlu dirutekan secara terpisah.
(Alat CTS: Physical Compiler dari Synopsys.)
Tata Letak & Rute
Rute yang dimaksud di sini adalah pengkabelan sinyal biasa, termasuk pengkabelan antar berbagai unit standar (sirkuit gerbang logika dasar). Misalnya, proses 0,13 mikrometer yang sering kita dengar, atau proses 90 nanometer, sebenarnya merupakan lebar minimum yang dapat dicapai oleh pengkabelan logam di sini, dan dari sudut pandang mikroskopis, lebar tersebut merupakan panjang saluran tabung MOS.
(Alat rute: Astro dari Synopsys)
Ekstraksi parasit
Ekstraksi parasit pada desain IC merupakan proses penting dalam pengembangan sirkuit terpadu. Proses ini bertujuan untuk mengekstraksi elemen-elemen parasit seperti kapasitansi, induktansi, dan resistansi dari tata letak fisik sirkuit. Proses ini sangat penting untuk memastikan bahwa desain IC memenuhi persyaratan kinerja yang diinginkan oleh pengguna. Akurasi ekstraksi parasit juga memainkan peran kunci dalam memastikan bahwa desain berperilaku sesuai dengan yang diharapkan. Secara keseluruhan, ekstraksi parasit pada desain IC merupakan langkah krusial dalam mencapai kinerja operasional yang baik dari sebuah sirkuit terpadu.
(Alat ekstraksi parasit: Synopsys Star-RCXT)
Verifikasi Fisik
Verifikasi fisik terhadap desain tata letak sirkuit terpadu merupakan langkah penting dalam proses desain IC. Tahap ini dilakukan setelah desain skematik dan biasanya melibatkan penggunaan verifikasi LVS (Layout vs Schematic), DRC (Design Rule Checker), dan ERC (Electrical Rule Checker). Verifikasi LVS memastikan bahwa tata letak fisik sesuai dengan desain skematik. DRC memeriksa pelanggaran terhadap aturan desain yang ditetapkan oleh proses fabrikasi, sedangkan ERC memeriksa kesalahan listrik. Semua pemeriksaan ini penting untuk memastikan bahwa desain benar dan siap untuk difabrikasi. Verifikasi fisik membantu memastikan bahwa desain IC memenuhi spesifikasi dan persyaratan yang diinginkan.
(Alat verifikasi fisik: Hercules dari Synopsys)
Selesainya verifikasi tata letak fisik menandakan bahwa seluruh tahap perancangan chip telah selesai, dan tahap selanjutnya adalah proses pembuatan chip.
Tips dan Trik Desain IC
– Memahami persyaratan proyek secara mendetail
.- Membagi desain menjadi beberapa blok dan membagikan tugas
.- Menganalisis kebutuhan daya dan memilih perangkat yang
tepat.- Merancang rangkaian dengan cermat sambil memperhatikan aturan
desain.- Memvalidasi desain melalui simulasi
.- Melakukan debug desain dan mengoptimalkan tata letak
.- Membuat file GDS dan memvalidasi desain pada papan target.
– Gunakan teknik estimasi dan
optimasi daya.- Pilih komponen yang
tepat.- Pertimbangkan batasan waktu dan
daya.- Manfaatkan alat otomatisasi
desain.- Lakukan verifikasi dan debug desain
.- Manfaatkan alat desain IC tingkat
lanjut.- Gunakan desain hierarkis untuk desain yang kompleks
.- Perhatikan trade-off antara daya, area
, dan kinerja.- Desain agar mudah diuji dan di-debug
.- Buat dokumentasi desain yang komprehensif.
