1、超大規模集成電路課程論文題目：超大規模集成電路的設計方法和應用實例院系：專業：年級：學號：姓名：指導老師: 完成時間:超大規模集成電路的設計方法和應用實例摘要:本文在概述超大規模集成電路設計方法上，系統地論述了各種設計集成電路的方法， 討論了全定制法、定制法、半定制法以及可編程邏輯器件和邏輯單元陣列設計方法的特點和 適用范圍。關鍵詞:全定制法定制法半定制法英文摘要和關鍵字:Abstracts： On the basis of VLSI design method, this thesis systematically expounds theKeywords：Keywords：full cus

2、tomization method, customized method, half customized method.1引言自1959年以來，集成電路技術發生了驚人的變化。第一個設計出來的集成電路只有四 個晶體管，而三十年以后的今天，在1989年，一個芯片上集成的晶體管數目已超過一千萬 個。集成電路經歷了 SSI、MSI、LSI、VLSL階段，目前已開始進入特大規模集成電路ULSI (Ultra Large Scale Integration)階段。隨著集成技術的發展和集成度煩人迅速提高，集成電路芯片的設計越來越復雜，原有的 傳統方法一一手工畫圖、刻紅膜的方法已無法適應，急需在設計方法與設

3、計工具方面來一個 大的變革。這就是經常談論的“設計革命”。各種設計方法學的誕生正是為了適應這種要求。一個集成系統的設計就是在保證產品質量的前提下，正確的選擇器件結構、電路形式、 工藝方案和設計規則，同時要盡可能地減小芯片尺寸，降低設計成本和縮小設計周期。2設計方法分類目前集成電路已滲透到各個應用領域。它的品種從微處理器、數字式電話一直到電子玩 具和家用電器。由于品種的不同，在性能和價格上有很大差別，因而實現各種設計的方法和 手段也有所不同。總的來講，我們希望能在盡可能短的時間內用最低的成本來獲得最佳的設 計指標，而所用的芯片面積又是最小的。但實際上要全面達到這種要求是很困難的，只能進 行某種折

4、衷。根據不同的設計要求，現有的各種設計方法可歸納如下：2.1 全定制設計方法(Full-Custom Design Approach)它適用于要求得到最高速度、最低功耗和最省面積的設計芯片設計。這種方法通常采用 隨機邏輯網絡，因為它能滿足上述要求。但版圖設計通常需要人來不斷完善，以便把每個器 件及內連接安排得最緊湊、最合適，因而特別花費時間。目前很多芯片已采用或部分采用規 則結構網絡，如ROM、RAM或PLA，因為這類規則結構的版圖設計比較容易，易于用自動 設計手段實現。而部分隨機邏輯網絡也逐漸走向模塊化結構，例如計數器、行波進位加法器 等。這種標準的模塊式結構的版圖設計比非標準的隨機邏輯要容

5、易得多，且便于檢查。為了 提高全定制制設計方法的效率，減小錯誤，現在采用層次式設計手段。2.1.1全定制版圖設計方法這種方法是利用人機交互圖形系統，由版圖設計人員設計版圖中的各個器件和連接線。全定制版圖設計的特點是針對每個晶體管進行電路參數的優化，這樣可以得到最佳的性 能以及最小的尺寸。采用這種方法時，除了要求有人機交互的圖形系統支持外，還要求有完 整的檢查和驗證的CAD工具，因為設計人員不可避免會造成版圖上的某些錯誤，需要通過 自動的加工加以徹底地糾正。2.1.2符號法版圖設計這是為了提高版圖設計效率而開發的一種設計方法。它利用一組事先定義好的符號來表 示版圖中的晶體管、接觸孔、多晶硅和鋁引

6、線等。設計人員根據網絡要求畫出一相應的符號 圖，自動轉換程序再將這些符號自動地轉換成版圖圖形。這時人們不必考慮版圖規則的細節， 也不存在違反設計規則的問題。目前有三種符號法：（1）固定柵格式；（2）梗圖式；（3）虛 網式。固定柵格式是把芯片表面劃分成均勻間隔的柵格。柵格大小表示最小的特征尺寸或布局 的容差。梗圖示是設計人員根據網絡圖畫出一對應的梗形草圖。符號法設計系統將其整理成規則 的梗形圖，再進一步轉換成版圖形式。虛網格符號法是在吸收了其它符號法的經驗基礎上發展起來的。2.2 定制設計方法（Custom Design Approach）它適用于芯片性能指標比較高而生產批量又比較大的產品設計。

7、2.2.1標準單元法，其商業名稱為多元胞法標準單元法是庫單元設計方法中的一種。標準單元法中的各個單元具有同一高度，但寬 度不等。單元內的每個器件事先都經過精心的設計，并經過設計規則和電學性能的驗證。設 計好的各個單元存入CAD系統的單元庫中以便調用，單元的電學特性也存入CAD系統的單 元模型庫中。設計時將所需的單元從單元庫中調出，將其排列成若干行，行間留有布線通道。 然后根據網絡的連接關系將各單元用連線聯接起來，同時把相應的輸入/輸出單元和壓焊塊 連接起來，即得到所要求的芯片版圖。芯片主要分三個區域：（1）四周的I/O單元和壓焊塊；（2）單元部分；（3）布線通道。設計人員只要輸入被設計電路的邏

8、輯圖，或輸入一種電路描述文件，再加上輸入壓焊塊 排列次序，標準單元自動布圖系統將調用所需單元和相應的I/O電路及壓焊塊，進行自動布 局和自動布線。2.2.2通用單元法，或稱為積木塊法通用單元法是庫單元設計方法的一種。與標準單元不同之處，它既不要求每個單元等寬， 也不要求等高。每個單元都可以根據最合理的情況單獨進行版圖設計，因而可獲得最佳性能。 設計好的單元存入庫內。此外，與標準單元法不同的是，它沒有統一的布線通道。以上通稱庫單元法，在設計時根據電路要求從庫中調出所需單元和外圍單元，進行自動 布局和布線，最后得到被設計電路的掩膜版圖，它的特點是元件得到充分利用，芯片面積小， 設計上的自由度較大，

9、但建立一個單元庫需要大量的初始投資。此外，制造周期較長，成本 也較高。半制定設計方法（Semi-Custom Design Approach）它適用于要求設計成本低、設計周期短而生產批量小的芯片設計。門陣列及最近發展起來的門海就屬于這一類。門陣列是預先在芯片上生成由基本門所組成的陣列，即完成連線以外的所有的芯片的加 工步驟。半定制的含意就在于對一批芯片作“單獨處理”，即單獨設計和制作接觸孔和連線以完 成電路的要求。這樣就使從設計到芯片完成的周期大大縮短，因而設計和制作成本大大下降。 但門陣列的門利用率一般較低，芯面積較大?？删幊踢壿嬈骷≒rogrammab Logic Device）法其特點

10、是“可編程”，往往由制造商提供通用器件，而由設計者根據需要進行“再加工” 實現其特定的邏輯。如果說門陣列的“單獨處理”由芯片制造商用2到4道掩膜工序來實現 的話，PLD的“可編程”則由設計者通過開發工具自己來完成，這就大大方便了用戶?？删幊踢壿嬈骷话惆ǎ嚎删幊讨蛔x存儲器可編程邏輯陣列可編程陣列邏輯通用陣列邏輯其它可編程器件5混合模式設計方法隨著VLSI復雜性的增長，在整個芯片中只利用一種設計方法已認為是不經濟的。因而 提出了混合模式，即把不同的設計方法加以優化，并組合而構成一體。混合模式設計方法發揮各個設計方法的各自優點，根據不同模塊的特點采用不同的設計 方法，然后綜合地應用到一個芯片的設

11、計中。6 硅編譯(Silicom Compiler)法它是一種全自動的設計方法，利用這種方法可以從集成電路的行為級描述直接得到該電 路的掩膜版圖。以硅編譯器為基礎的VLSI設計系統為系統設計人員提供了一種真正的設計 自動化工具。7應用東南大學射頻與光電集成電路研究所瞄準CMOS射頻電路研究這一國際前沿申報了國 家自然科學基金第三代移動通信系統手機射頻芯片研制的重大攻關項目利用0.35微米CMO S工藝，設計出了低噪聲放大器等電路并以多目標晶圓(Multi-Project-Wafer或MPW)的方 式到境外進行制造日前該芯片已首先流片成功。在信息產業部電子十四所進行的芯片功能測 試表明，在2.9GHz的頻率上功率增益大于10dB輸入反射小于-12dB在3V電源下偏置電流 為8mA據我們所知這是我國第一片擁有自主知識產權的工作頻率高于2GHz的CMOS射頻芯 片其性能達到了當前世界上高頻芯片的研究水平目前另有多個射頻電路芯片正在設計流片 和測試中射光所將在射頻電路設計領域繼續深入研究積極開展合作利用國際上的先進技術 和工藝為我國集成電路設計事業的發展做出貢獻。2一 SJ2一 SJ彝藍凰照挨M結論：集成電路使用晶體管組裝成單