2013-3-1 1
VLSI设计导论
清华大学计算机系
2013-3-1 2
课程介绍
教师：蔡懿慈 软件所设计自动化
助教博士生：魏宏川 9区 —— 202
教材：,VLSI设计导论》讲义
要求：作业 40%，上机 40%，考试 20%
参考书,
,VLSI设计导论》沈绪榜 杜 敏 编著，高教出版社
,Introduction to VLSI System,Mead & Conway
,超大规模集成电路系统和电路的设计原理,
高德远 康继昌 编著，西北工业大学出版社
2013-3-1 3
为什麽要学习集成电路设计？
从, S O B,到, S O C,
2013-3-1 4
第一章 概 论
第一节 引 言
第二节 VLSI设计过程简介
第三节 VLSI设计中的问题
第四节 VLSI的设计方法学
第二章 集成电路工艺基础
第一节 引 言
第二节 半导体材料：硅
第三节 集成电路制造工艺简介
第四节 CMOS集成电路加工过程简介
2013-3-1 5
第三章 器件设计技术
第一节 引 言
第二节 MOS晶体管的工作原理
第三节 MOS管的电流电压
第四节 反相器直流特性
第四章 逻辑设计技术
第一 节 MOS管的串, 并联特性
第二 节 各种逻辑门的实现
2013-3-1 6
第五章 版图设计技术
第一节 引 言
第二节 版图设计过程
第三节 版图自动设计中的基本问题
第四节 版图设计规则
第五节 版图描述语言 CIF
第三节 版图设计图例
第七节 版图电学参数计算
2013-3-1 7
第六章 电路参数提取
第一节 信号传输延迟
第二节 功 耗
第三节 MOS管的其它电学参数
第四节 CMOS电路的闸流（ Latch-Up） 效应
第五节 版图设计举例
2013-3-1 8
第七章 半定制电路
第一节 引 言
第二节 门阵列, 宏单元阵列及门海
第三节 标准单元设计模式
第四节 现场可编程门阵列 （ FPGA）
第八章 全定制电路设计
第一节 全定制电路的结构化设计特征
第二节 几种全定制设计方法
第三节 不同设计方法比较
第四节 系统封装
2013-3-1 9
专题一 SOC设计方法学
专题二 成品率驱动的掩膜版矫正算法研究
专题三 时延模型简介
2013-3-1 10
第一章 概 论
第一节 引 言
? 信息产业值占国民经济总值的 40%~60%是 支柱
? 微电子工业是国民经济信息化的 基石
? 集成电路是微电子技术的 核心
如果以单位质量的“钢”对国民生产总值的贡献为
1来计算，则小轿车为 5，彩电为 30，计算机为 1000，
而集成电路则高达 2000。
1 5 30 1000 2000
2013-3-1 11
信息系统的集成可分为三个层次：
工程层次, 电子系统层次和电
路层次 。
? 工程层次,如国家信息高速公路等牵动着各
种电子系统的开发 。
? 电子系统层次,即为大型信息工程提供设备,
又是电路制造商瞄准的主要市场 。
? 电路层次,主要是微电子产品的开发 。
2013-3-1 12
一、集成电路的发展
? 1948年，美国贝尔实验室发明了点接触晶体管
? 1949年,W?Shockley提出结型晶体管的设想
? 1951年，制成了第一枚面结型的晶体管
? 1952年，英国科学家达默提出电路集成
化的最初设想。
? 1958年，美国得克萨斯仪器公司的一位工程师基
尔比，按照上述设想，制成了世界上第一块集成
电路。
? 1959年，得克萨斯仪器公司首先宣布
建成世界上第一条集成电路生产线。
2013-3-1 13
? 1962年，世界上出现了第一块集成电路正式商品，
这预示着第三代电子器件已正式登上电子学舞台。
? 自从 1958年集成电路诞生以来，经历了小规模
（ SSI）,中规模（ MSI）,大规模（ LSI） 的发展
过程，目前已进入超大规模（ VLSI） 和甚大规模集
成电路（ ULSI） 阶段，是一个,system on a chip”
（ SOC)的时代。
? 第一代 16位的 8086芯片中，共容纳了约 2.8万个晶体
管。 32位以上的 586级计算机微处理器，如“奔腾”
芯片内的晶体管数目则高达 500万以上。
? 目前商业化半导体芯片的线宽为 0.13~0.18μ m,今
后发展的趋势是 0.1μ m甚至 0.07μ m以下。
2013-3-1 14
Moore’s Law and Future IC Technologies
? Moore Law
--- 芯片集成度每 18个月将翻一番。
--- True for at least 15 years! (first published in 1965)
? 1997 National Technology Roadmap for Semiconductors
Te c hno lo g y (u m ) 0,2 5 0,1 8 0,1 5 0,1 3 0,1 0 0,0 7
Y e a r 1 9 9 7 1 9 9 9 2 0 0 1 2 0 0 3 2 0 0 6 2 0 0 9
# tr a n s is tor s 11M 21M 40M 76M 2 0 0 M 5 2 0 M
O n -C h ip C l o c k (M H z ) 7 5 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0
A r e a ( m m
2
) 3 0 0 3 4 0 3 8 5 4 3 0 5 2 0 6 2 0
W ir i n g Le v e ls 6 6 -7 7 7 7 -8 8 -9
2013-3-1 15
a Headcount is and growing
and growing and growing
growing
Moore’s Law also applies,.,
2013-3-1 16
集成电路工艺的发展特点
九十年代以来，集成电路工艺发展非常迅速，已从亚
微米 (0.5到 1微米 )进入到深亚微米 (小于 0.5微米 )，进而
进入到超深亚微米 (小于 0.25微米 )。其主要特点,
? 特征尺寸越来越小
? 芯片尺寸越来越大
? 单片上的晶体管数越来越多
? 时钟速度越来越快
? 电源电压越来越低
? 布线层数越来越多
? I/O引线越来越多
2013-3-1 17
表 1 发展规划代次的指标
年份 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012
最小线宽 0.25 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.01
(μ m）
DRAM容量 256M 1G 1G~4G 4G 16G 64G 256G
每片晶体管数 11 21 40 76 200 520 1400
（ M）
芯片尺寸 300 440 385 430 520 620 750
(平方毫米 ）
频率 750 1200 1400 1600 2000 2500 3000
(兆赫）
金属化层层数 6 6-7 7 7 7-8 8-9 9
最低供电电压 1.8-2.5 11.5-1.8 1.2-1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.5-0.6
（ v）
最大晶圆直径 200 300 300 300 300 450 450
（ mm）
2013-3-1 18
工艺特征尺寸
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
1997 1999 2001 2003 2006 2009
ì?
?÷3?
′?
￡¨?￠
?×￡?
1¤ò? 3? ′?
2013-3-1 19
单个芯片上的晶体管数
0
100
200
300
400
500
600
1997 1999 2001 2003 2006 2009
?§ì?
1ü
êy
￡¨M
￡?
?§ì? 1ü êy
2013-3-1 20
芯片面积
0
100
200
300
400
500
600
700
1997 1999 2001 2003 2006 2009
D?
??
??
?y
￡¨??
·
?
oá
?×￡?
D? ?? ?? ?y
2013-3-1 21
电源电压
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1997 1999 2001 2003 2006 2009
Vdd(v)
Vdd
2013-3-1 22
金属布线层数
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1997 1999 2001 2003 2006 2009
?e
ê?
2?
êy
?e ê? 2? êy
2013-3-1 23
时钟频率
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1997 1999 2001 2003 2006 2009
Clock(MHz)
Clock
2013-3-1 24
器件及互连线延迟
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
1997 1999 2001 2003 2006 2009
延迟值
(ns)
器件内部延迟
2厘米连线延迟
（ O）
2厘米连线延迟
（ U）
2厘米连线延迟约束
2013-3-1 25
? 集成电路朝着两个方向发展,
? 一是在发展微细加工技术的基础上，开发超高速、
超高集成度的电路。
? 二是迅速、全面地利用已达到的或已成熟的工艺
技术、设计技术、封装技术、和测试技术等发展
各种专用集成电路（ ASIC）。
? 从另一个角度来说，进入 90年代以来，电子信息
类产品的开发明显地出现了两个特点,
? 一是开发产品的复杂程度加深，出现 SOC。
? 另一个是开发产品的上市时限紧迫。
2013-3-1 26
2013-3-1 27
市场窗口
W
市场窗口
2 W
市场增长 市场衰减
时间
及时投入市场的
年度曲线
延误投入市场的
年度曲线
2013-3-1 28
二、我国集成电路的发展
? 我国自 1956年研制出第一个锗晶体管,1965年制成了
第一片集成电路至今，经过 30多年的不懈努力，已具
备了一定的生产规模和发展基地。
? 我国信息产业与技术发展的特点,
1、发展速度快，产业规模不断扩大
年均增长率达 25%以上，信息产业在全国工业总产值中的比例
已由 1980年的 2.02％增长到 1999年的 7.04％。
表３ 1980~1999年电子信息产业占全国工业总产值的比重
年度 1980 年 1985 年 1990 年 1995 年 1999 年
工业总产值 ( 亿元 ) 1 0 0, 2 2 8 6, 4 6 9 8, 1 2470 7782
五年平均递增 (% ) 2 4, 6 1 1 8, 6 2 9, 2
占全国工业总产值 (% ) 2, 0 2 3, 4 5 3 4, 4 7, 0 4
2013-3-1 29
1980~1999年电子信息产业占全国工业总产值的比重
( 亿元 )
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
8
7
6
5
4
3
2
1
0
（ % ）
工业总产值
占全国工业总产值
的比重
1980 年 1985 年 1990 年 1995 年 1999 年
100,2
286,4
698,1
2470
7782
2013-3-1 30
2、产品结构不断优化
1980~1999年电子产品结构变化
3、形成了较为齐全的产品门类
集成电路、软件,计算机、信息处理、通信、广播电视、音
频和视频、多媒体、元器件。
投资类 消费类 元器件类
产值 比重 产值 比重 产值 比重
1980 年 3 4, 4 7 1 7, 2 4 3, 9 7 2 1, 9 1 2 2, 7 6 6 0, 9
1985 年 5 8, 2 6 2 0, 4 1 3 4, 0 3 4 6, 8 9 4, 0 6 3 2, 8
1990 年 9 4, 5 1 4, 3 3 8 6, 3 5 5 2, 4 2 3 5, 1 5 3 3, 3
1995 年 6 6 2 2 6, 9 9 4 7, 7 3 8, 1 8 6 1 3 5
1999 年 3 2 8 4, 5 4 2, 2 2 4 7 1, 1 3 1, 8 2 0 2 6, 3 2 6
2013-3-1 31
4、对外贸易取得突破性进展，电子信息产品成为我国主要出口
产品
1999年出口总额达到 390亿美元，约占 1999年全国出口额的 20％。
1980~1999年电子信息产品出口状况
( 亿美元 )
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
1980 年 1985 年 1990 年 1995 年 1999 年
0, 1
3 7, 9
165, 3
390
2013-3-1 32
? 我国集成电路生产能力方面,
93年 生产的 集成电路为 1.78亿块，占世界总产量的
0.4%，相当于美国 1969年的水平，日本 1971年的水平。
96年 为 7.09亿块，而 1996年国内集成电路市场总用量
为 67.8亿块,国内市场占有率仅为 10％。
99年 为 23亿块,销售额 70多亿元，国内市场占有率不
足 20％，绝大部分依靠进口。
2000年 需求量为 227亿块，可生产 58亿块，国内市场
占有率 25%。
总之，我国集成电路产业的总体发展水平还很低，与
国外相比大约落后 15年。
2013-3-1 33
? 目前我国的半导体集成电路生产分为三大类,
? 第一类是企业,
上海华虹 NEC（ HHNEC）,0.25μ m的 8英寸的集成电路生产线。（ Fab)
上海中芯国际,0.18μ m的 8英寸的集成电路生产线。（ foundry)
上海宏力,0.18-0.25μm的 6英寸的集成电路生产线。 (foundry)
上海先进,0.8-1.2μm两条集成电路生产线（双极,MOS）。（ foundry)
上海贝岭（ Beling）,1.0-1.5μm的 4英寸的生产线，新建一条 8英寸生产
线主要作数模混合，与中心、先进、宏力互补。
无锡华晶,0.8-1.0μm的 6英寸的生产线。
绍兴华越，从日本富士通引进的二手线,2μ m的 5英寸的生产线。
北京的首钢 NEC（ SGNEC）, 0.5-0.8μm的 6英寸的生产。 (Fab)
天津摩托罗拉,0.25μ m的 8英寸的集成电路生产线。
2013-3-1 34
? 第二类是科研,
清华大学微电子所，由 IBM捐赠了一条 0.5-0.35μ m的 6英寸的
生产线。
中科院微电子研究中心,0.5μ m -0.35μ m 的 4英寸的生产线。
上海冶金所,0.8μ m 的 4英寸的生产线。
? 第三类是军工,
西安 771所,1-2μ m 的 3英寸的生产线。
蚌埠 214所（兵工器总公司）,2-3μ m 的 3英寸的生产线。
2013-3-1 35
2002年度十大晶圆代工厂排名
单位：亿美元
公司名称 销售量 排名 2 0 0 1 年排名
台积电 （ T S MC ） 5 1 1 1
台联电 （ UM C ） 2 2 2 2
特许半导体 （ Ch a rte red ） 5,0 5 3 3
韩国 A n a n 2,4 4 4
德国 X- f a b 2,4 5 5
马来西亚 S ilte rr a 1,2 6 1 2
马来西亚 1 stS ili co n 1,1 5 7 1 3
上海先进 （ A S MC ） 1,1 8 6
中芯国际 （ S MIC ） 0,9 5 9 -
新加坡 S S MC 0,9 10 1 1
2013-3-1 36
三、集成电路设计与 EDA软件工具
集成电路产业是以市场、设计、制造、应
用为主要环节的系统工程。设计是连接市场和
制造之间的桥梁，是集成电路产品开发的入口。
成功的产品来源于成功的设计。
成功的设计取决于优秀的设计工具。
2013-3-1 37
? 在集成电路产业发展初期, 集成电路设计附属于半
导体工业加工, 主要是手工设计 。 第一代的 IC CAD
系统为 IC设计师提供方便的版图编辑, 设计验证和
数据转换等功能 。
? 70年代, MOS工艺发展迅速成为制造 IC的主体工艺 。
提出了设计与生产制造相对独立的思想 。
? 80年代初, IC CAD技术进入了第二代, 为设计师提
供了方便的原理图编辑, 仿真和物理版图的布图,
验证功能 。
? 80年代中集成电路设计已经形成, 出现了 Fab，
Foundry,Fabless,Design Ｈ ouse。 IC CAD产业也开
始形成 。
2013-3-1 38
? 90年代初,IC设计业已经非常发达，在追求速度的
同时，提高成品率。 IC CAD技术进入了第三代，包
括有系统级的设计及验证工具。
信息产业市场中的 EDA
8000亿 US$
1000亿 US$
300亿 US$
16亿 US$
信息产业
微电子产品
ASIC产品
EDA产品
2013-3-1 39
? 目前，第四代 IC CAD工具 ―― EDA工具的开
发正在紧锣密鼓地进行。
由于集成电路的工艺水平已经进入深亚微米
（ <0.6微米），在 0.8微米工艺以下，连线延
迟已占总延迟的 70％，因而计算工作量要比
微米及亚微米增大。
设计工具改进所增加的设计能力必须超过工
艺增长速度，才能适应工艺的快速发展。
2013-3-1 40
IC 设计的发展
? 设计附属于制造，手工设计 。
? 设计业独立,Fabless,Design House。
? 设计追求时间和成品率。
? soc设计。
2013-3-1 41
EDA（ ICCAD） 的发展
? 第一代：七十年代以 Applicon,Calma,CV为代表的版图
编辑 +DRC
? 第二代：八十年代以 Mentor,Daisy,Valid为代表的 IC
CAD系统，原理图输入、模拟、分析、自动布图及验证
? 第三代：九十年代以 Cadence,Synopsys,Avanti等为
代表的 EDA系统，包括有系统级的设计工具
? 第四代：正在研制面向 VDSM + System-On-a-Chip的新
一代 EDA系统
2013-3-1 42
设计和工艺的差距越来越大
1986 1988 1990 1992 1994
0
2M
4M
6M
8M
10M
12M
14M
16M
可以利用的门数
设计周期为一年，不使用系统级宏单元时，
能设计的门数
2013-3-1 43
? 目前设计业面临的关键问题,
（１）设计方法学的研究：理论和设计流程。
（２） IP核的复用。
（３）功耗、噪声和电迁移的分析工具。
（４）超深亚微米的布图设计工具。
（５）针对大规模芯片的阻、容、感提取工具。
（６）复杂芯片的物理验证、形式验证工具。
（７）确认和测试工具。
2013-3-1 44
四、国内工业界的集成电路设计情况,
? 近年来，我国 IC设计业如雨后春笋般发展，
目前，大约有 300家设计公司，主要分布
在上海及长江三角洲地区、北京及华北东
北地区、深圳及珠江三角洲地区和西安、
成都等中西部地区。
2013-3-1 45
? 集成电路设计园区：北京、上海、西安、无锡、
杭州、深圳等。
? 主流设计为 0.8μ m -1.5μ m 。 能够达到
0.25μ m设计水平或百万门级产品设计能力的企
业很少。
? 设计人员 10000人。
? 人数超过 50人的设计公司不足 40家。
2013-3-1 46
五、我国 IC CAD（ EDA） 发展的过程
? 从八十年代初开始，至今已有二十多年研究历史。
? 国家第一代（ 1980-1983）、第二代（ 1986-
1988）和第三代（ 1988-1991） IC CAD系统的
研制，第三代系统以 PANDA系统为代表。
? 中国华大集成电路设计中心,版图编辑、验证，
VHDL环境,REUSE, PANDA系统 已有 47家
用户，近几年已销售￥ 3000多万，在国内安装
套数占 30%
2013-3-1 47
? 国内 EDA的研究主要集中在大学,
? 复旦大学 - 布图,FPGA,模拟电路
? 杭州电子工业学院（浙江大学） - 布图、模拟
? 北京大学 - 器件模型
? 北京理工大学 - 综合、验证
? 上海交通大学 - 版图验证
? 哈尔滨工业大学 - 综合,AHDL
? 清华大学微电子所、电子工程系 -模拟电路、器
件模拟
2013-3-1 48
第二节 电子产品开发 过程
一、产品开发的三个阶段,
第一阶段：制定产品要求、规格和结构。
第二阶段：完成电气与物理设计。
第三阶段：从第一个产品诞生到批量生产的设计过程。
二、产品设计的过程,
设计前期：技术规范的形成和验证。
系统设计：设计过程的主要阶段。
设计后期：测试生成。
2013-3-1 49
? 设计前期任务,
（ 1）识别用户要求
（ 2）高层次的用户要求仿真
（ 3）性能仿真
（ 4）产生技术规范
（ 5）验证技术规范的有效性
? 系统设计任务,
（ 1）软 /硬件的划分
（ 2）分解硬件与生成自系统级、印刷电路板级
和元件级技术规范
（ 3）软件开发
2013-3-1 50
（ 4）行为功能和性能的仿真
（ 5）逻辑综合
（ 6）电路设计和验证设计的仿真
（ 7）可靠性分析
（ 8）硬件制造
（ 9）元件级、印刷板级和子系统级的设计测试
（ 10）硬 /软件集成、系统测试及鉴定评估
? 设计后期
为系统软件和硬件的测试生成测试程序和测试向
量
2013-3-1 51
三、电子产品设计流程
用户提出技术要求
系统目标定义
建立算法与仿真验证
任务分解与定义设计规范
系统描述与系统 （行为功能）仿真
概念
验证
第一阶段
专用处理 数据流
硬件设计 算法软件设计
控制流
控制软件设计
2013-3-1 52
综合与优化
专用开发系统 V H D L 库
门级仿真硬件仿真库
S m a r t M od e l 库
专用处理
数据流
硬件设计
算法软件设计
控制流
控制软件设计
电路结构与模块划分
A S I C 实现方式
的综合优化
F P G A 实现方式
的综合优化
A S I C 库 F P G A 库
PCB, M C M 实现方法
电路级验证
物理设计
参数提取后仿真
系统调试
产品样机定型
批量生产与型号生产
用户的使用要求 厂家的工艺条件
仪表
第二阶段
第三阶段
2013-3-1 53
? 流程
? 系统目标定义
? 建立算法与仿真验证
? 系统任务的分解与设计规范定义
? 系统的描述与仿真
? 硬件、算法软件和控制软件的设计
? 综合优化与门级仿真
? 物理设计（布局布线）与参数提取后仿真
? 系统调试
? 从样品到产品批量生产
2013-3-1 54
四, VLSI设计步骤,
? 1,系统规范化说明 （ System Specification）
包括系统功能, 性能, 物理尺寸, 设计模式, 制
造工艺, 设计周期, 设计费用等等 。
? 2,功能设计 （ Function Design）
将系统功能的实现方案设计出来 。 通常是给出系统
的时序图及各子模块之间的数据流图 。
? 3,逻辑设计 （ Logic Design）
这一步是将系统功能结构化 。 通常以文本, 原理
图, 逻辑图表示设计结果, 有时也采用布尔表达
式来表示设计结果 。
2013-3-1 55
? 4,电路设计 （ Circuit Design）
电路设计是将逻辑设计表达式转换成电路实现 。
? 5,物理设计 （ Physical Design or Layout Design）
物理设计或称版图设计是 VLSI设计中最费时的一步 。
它要将电路设计中的每一个元器件包括晶体管, 电
阻, 电容, 电感等以及它们之间的连线转换成集成
电路制造所需要的版图信息 。
? 6,设计验证 （ Design Verification）
在版图设计完成以后, 非常重要的一步工作是版图
验证 。 主要包括：设计规则检查 （ DRC）, 版图的
电路提取 （ NE）, 电学规检查 （ ERC） 和寄生参数
提取 （ PE） 。
2013-3-1 56
系统描述
功能设计
逻辑设计
电路设计
物理设计
设计验证
芯片制造
X =( A B*C D )+ (A +D )+ (A D +C )
2013-3-1 57
第三节 VLSI设计中的问题
一, 成本问题
VLSI的成本包括：设计费用, 制造费用及此过程中工程师的
工资 。
二, 设计正确性要求
设计的正确性是 IC设计中最基本的要求 。 IC设计一旦完成并
送交制造厂生产后, 再发现有错误, 就需要重新制版, 重新
流片, 这会造成巨大的损失 。 因此, 要保证 100％ 的设计正确
性 。
三, 设计过程集成化
在复杂的系统设计中上层设计对下层设计的指导越来越重要 。
同时, 由于对系统性能的要求, 在上层设计时对下层信息
（ 工艺, 布局布线 ） 的依赖性也越来越强 。
2013-3-1 58
由于 IC设计这一独特的限制, 就需要有功能更强, 性能
更好的 EDA设计平台将整个集成电路设计过程统一考虑,
前后呼应, 从全局的观点使系统设计达到最优 。
目前, 实际上计算机辅助设计软件及工具几乎渗透了
VLSI设计的各个步骤中：工艺模拟, 器件模拟, 电路分析,
逻辑验证, 版图验证及参数提取, 布图工具, 综合工具,
封装工具,.....。
四, VLSI设计的可测试性问题
测试在 VLSI设计中是一个十分重要的课题 。 测试的意义在
于检查电路是否能按设计要求正常工作 。 随着 VLSI功能的
日趋复杂, 测试费用所占的比例明显增大, 虽然芯片测试
是在 VLSI生产过程当中进行的, 但是为了减小测试所需要
的资源, 往往在电路设计阶段就要考虑其可测试性的问题,
增强测试的简易性 。 具体做法是在已有的逻辑设计基础上
添加一些专门用于测试的辅助电路 。
2013-3-1 59
第四节 VLSI的设计方法学
? VLSI设计方法学旨在人工干预设计与 CAD工
具之间的交互过程中取得尽可能高的设计效
率 。
一, VLSI设计的一般形式
层次式设计是 VLSI设计中最广泛使用的方法,
它可以简化 VLSI设计的复杂性 。 层次式设计
方法分为自顶向下和自底向上两种方法 。
目前广泛采用的是两者结合的设计方法 。
二, 层次化设计的三个域
行为域, 结构域和几何域 。
2013-3-1 60
三,VLSI设计描述
设计级别 行为描述 结构描述 几何描述 计算机描述
功能级 算法流程图 方块图 V H D L
寄存器
传输级
有限状态机
状态图
方框图 V H D L
门 级 卡诺图
布尔方程
逻辑图 V H D L
逻辑模拟
晶体管级 网络方程 电路图 Y A L, S P I C E
D E F / L E F
版图级 电子、空穴
等传输方程
设计规则、
工艺要求
版 图 C I F, E D I F,
G D S 2
2013-3-1 61
? 计算机描述语言,对于不同的设计层次, 都需要用
计算机来进行辅助设计 。 因此, 需要有一套计算机
能处理的语言来描述设计结果和设计要求 。
? VHDL(Very High-speed Integrated Circuit Hardware
Description Language) 。
? SPICE是一种用于电路分析的软件工具, 它本身规
定了一套电路描述方法 。
? DEF/LEF及 YAL都是专门用于布图设计的电路描述
语言 。
? CIF是一种几何描述语言, 它用来描述物理版图, 该
语言是工业界的标准格式, 它与另外的两种版图描
述语言 GDS2,EDIF之间可以相互转换 。
VLSI设计导论
清华大学计算机系
2013-3-1 2
课程介绍
教师：蔡懿慈 软件所设计自动化
助教博士生：魏宏川 9区 —— 202
教材：,VLSI设计导论》讲义
要求：作业 40%，上机 40%，考试 20%
参考书,
,VLSI设计导论》沈绪榜 杜 敏 编著，高教出版社
,Introduction to VLSI System,Mead & Conway
,超大规模集成电路系统和电路的设计原理,
高德远 康继昌 编著，西北工业大学出版社
2013-3-1 3
为什麽要学习集成电路设计？
从, S O B,到, S O C,
2013-3-1 4
第一章 概 论
第一节 引 言
第二节 VLSI设计过程简介
第三节 VLSI设计中的问题
第四节 VLSI的设计方法学
第二章 集成电路工艺基础
第一节 引 言
第二节 半导体材料：硅
第三节 集成电路制造工艺简介
第四节 CMOS集成电路加工过程简介
2013-3-1 5
第三章 器件设计技术
第一节 引 言
第二节 MOS晶体管的工作原理
第三节 MOS管的电流电压
第四节 反相器直流特性
第四章 逻辑设计技术
第一 节 MOS管的串, 并联特性
第二 节 各种逻辑门的实现
2013-3-1 6
第五章 版图设计技术
第一节 引 言
第二节 版图设计过程
第三节 版图自动设计中的基本问题
第四节 版图设计规则
第五节 版图描述语言 CIF
第三节 版图设计图例
第七节 版图电学参数计算
2013-3-1 7
第六章 电路参数提取
第一节 信号传输延迟
第二节 功 耗
第三节 MOS管的其它电学参数
第四节 CMOS电路的闸流（ Latch-Up） 效应
第五节 版图设计举例
2013-3-1 8
第七章 半定制电路
第一节 引 言
第二节 门阵列, 宏单元阵列及门海
第三节 标准单元设计模式
第四节 现场可编程门阵列 （ FPGA）
第八章 全定制电路设计
第一节 全定制电路的结构化设计特征
第二节 几种全定制设计方法
第三节 不同设计方法比较
第四节 系统封装
2013-3-1 9
专题一 SOC设计方法学
专题二 成品率驱动的掩膜版矫正算法研究
专题三 时延模型简介
2013-3-1 10
第一章 概 论
第一节 引 言
? 信息产业值占国民经济总值的 40%~60%是 支柱
? 微电子工业是国民经济信息化的 基石
? 集成电路是微电子技术的 核心
如果以单位质量的“钢”对国民生产总值的贡献为
1来计算，则小轿车为 5，彩电为 30，计算机为 1000，
而集成电路则高达 2000。
1 5 30 1000 2000
2013-3-1 11
信息系统的集成可分为三个层次：
工程层次, 电子系统层次和电
路层次 。
? 工程层次,如国家信息高速公路等牵动着各
种电子系统的开发 。
? 电子系统层次,即为大型信息工程提供设备,
又是电路制造商瞄准的主要市场 。
? 电路层次,主要是微电子产品的开发 。
2013-3-1 12
一、集成电路的发展
? 1948年，美国贝尔实验室发明了点接触晶体管
? 1949年,W?Shockley提出结型晶体管的设想
? 1951年，制成了第一枚面结型的晶体管
? 1952年，英国科学家达默提出电路集成
化的最初设想。
? 1958年，美国得克萨斯仪器公司的一位工程师基
尔比，按照上述设想，制成了世界上第一块集成
电路。
? 1959年，得克萨斯仪器公司首先宣布
建成世界上第一条集成电路生产线。
2013-3-1 13
? 1962年，世界上出现了第一块集成电路正式商品，
这预示着第三代电子器件已正式登上电子学舞台。
? 自从 1958年集成电路诞生以来，经历了小规模
（ SSI）,中规模（ MSI）,大规模（ LSI） 的发展
过程，目前已进入超大规模（ VLSI） 和甚大规模集
成电路（ ULSI） 阶段，是一个,system on a chip”
（ SOC)的时代。
? 第一代 16位的 8086芯片中，共容纳了约 2.8万个晶体
管。 32位以上的 586级计算机微处理器，如“奔腾”
芯片内的晶体管数目则高达 500万以上。
? 目前商业化半导体芯片的线宽为 0.13~0.18μ m,今
后发展的趋势是 0.1μ m甚至 0.07μ m以下。
2013-3-1 14
Moore’s Law and Future IC Technologies
? Moore Law
--- 芯片集成度每 18个月将翻一番。
--- True for at least 15 years! (first published in 1965)
? 1997 National Technology Roadmap for Semiconductors
Te c hno lo g y (u m ) 0,2 5 0,1 8 0,1 5 0,1 3 0,1 0 0,0 7
Y e a r 1 9 9 7 1 9 9 9 2 0 0 1 2 0 0 3 2 0 0 6 2 0 0 9
# tr a n s is tor s 11M 21M 40M 76M 2 0 0 M 5 2 0 M
O n -C h ip C l o c k (M H z ) 7 5 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0
A r e a ( m m
2
) 3 0 0 3 4 0 3 8 5 4 3 0 5 2 0 6 2 0
W ir i n g Le v e ls 6 6 -7 7 7 7 -8 8 -9
2013-3-1 15
a Headcount is and growing
and growing and growing
growing
Moore’s Law also applies,.,
2013-3-1 16
集成电路工艺的发展特点
九十年代以来，集成电路工艺发展非常迅速，已从亚
微米 (0.5到 1微米 )进入到深亚微米 (小于 0.5微米 )，进而
进入到超深亚微米 (小于 0.25微米 )。其主要特点,
? 特征尺寸越来越小
? 芯片尺寸越来越大
? 单片上的晶体管数越来越多
? 时钟速度越来越快
? 电源电压越来越低
? 布线层数越来越多
? I/O引线越来越多
2013-3-1 17
表 1 发展规划代次的指标
年份 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012
最小线宽 0.25 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.01
(μ m）
DRAM容量 256M 1G 1G~4G 4G 16G 64G 256G
每片晶体管数 11 21 40 76 200 520 1400
（ M）
芯片尺寸 300 440 385 430 520 620 750
(平方毫米 ）
频率 750 1200 1400 1600 2000 2500 3000
(兆赫）
金属化层层数 6 6-7 7 7 7-8 8-9 9
最低供电电压 1.8-2.5 11.5-1.8 1.2-1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.5-0.6
（ v）
最大晶圆直径 200 300 300 300 300 450 450
（ mm）
2013-3-1 18
工艺特征尺寸
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
1997 1999 2001 2003 2006 2009
ì?
?÷3?
′?
￡¨?￠
?×￡?
1¤ò? 3? ′?
2013-3-1 19
单个芯片上的晶体管数
0
100
200
300
400
500
600
1997 1999 2001 2003 2006 2009
?§ì?
1ü
êy
￡¨M
￡?
?§ì? 1ü êy
2013-3-1 20
芯片面积
0
100
200
300
400
500
600
700
1997 1999 2001 2003 2006 2009
D?
??
??
?y
￡¨??
·
?
oá
?×￡?
D? ?? ?? ?y
2013-3-1 21
电源电压
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1997 1999 2001 2003 2006 2009
Vdd(v)
Vdd
2013-3-1 22
金属布线层数
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1997 1999 2001 2003 2006 2009
?e
ê?
2?
êy
?e ê? 2? êy
2013-3-1 23
时钟频率
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1997 1999 2001 2003 2006 2009
Clock(MHz)
Clock
2013-3-1 24
器件及互连线延迟
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
1997 1999 2001 2003 2006 2009
延迟值
(ns)
器件内部延迟
2厘米连线延迟
（ O）
2厘米连线延迟
（ U）
2厘米连线延迟约束
2013-3-1 25
? 集成电路朝着两个方向发展,
? 一是在发展微细加工技术的基础上，开发超高速、
超高集成度的电路。
? 二是迅速、全面地利用已达到的或已成熟的工艺
技术、设计技术、封装技术、和测试技术等发展
各种专用集成电路（ ASIC）。
? 从另一个角度来说，进入 90年代以来，电子信息
类产品的开发明显地出现了两个特点,
? 一是开发产品的复杂程度加深，出现 SOC。
? 另一个是开发产品的上市时限紧迫。
2013-3-1 26
2013-3-1 27
市场窗口
W
市场窗口
2 W
市场增长 市场衰减
时间
及时投入市场的
年度曲线
延误投入市场的
年度曲线
2013-3-1 28
二、我国集成电路的发展
? 我国自 1956年研制出第一个锗晶体管,1965年制成了
第一片集成电路至今，经过 30多年的不懈努力，已具
备了一定的生产规模和发展基地。
? 我国信息产业与技术发展的特点,
1、发展速度快，产业规模不断扩大
年均增长率达 25%以上，信息产业在全国工业总产值中的比例
已由 1980年的 2.02％增长到 1999年的 7.04％。
表３ 1980~1999年电子信息产业占全国工业总产值的比重
年度 1980 年 1985 年 1990 年 1995 年 1999 年
工业总产值 ( 亿元 ) 1 0 0, 2 2 8 6, 4 6 9 8, 1 2470 7782
五年平均递增 (% ) 2 4, 6 1 1 8, 6 2 9, 2
占全国工业总产值 (% ) 2, 0 2 3, 4 5 3 4, 4 7, 0 4
2013-3-1 29
1980~1999年电子信息产业占全国工业总产值的比重
( 亿元 )
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
8
7
6
5
4
3
2
1
0
（ % ）
工业总产值
占全国工业总产值
的比重
1980 年 1985 年 1990 年 1995 年 1999 年
100,2
286,4
698,1
2470
7782
2013-3-1 30
2、产品结构不断优化
1980~1999年电子产品结构变化
3、形成了较为齐全的产品门类
集成电路、软件,计算机、信息处理、通信、广播电视、音
频和视频、多媒体、元器件。
投资类 消费类 元器件类
产值 比重 产值 比重 产值 比重
1980 年 3 4, 4 7 1 7, 2 4 3, 9 7 2 1, 9 1 2 2, 7 6 6 0, 9
1985 年 5 8, 2 6 2 0, 4 1 3 4, 0 3 4 6, 8 9 4, 0 6 3 2, 8
1990 年 9 4, 5 1 4, 3 3 8 6, 3 5 5 2, 4 2 3 5, 1 5 3 3, 3
1995 年 6 6 2 2 6, 9 9 4 7, 7 3 8, 1 8 6 1 3 5
1999 年 3 2 8 4, 5 4 2, 2 2 4 7 1, 1 3 1, 8 2 0 2 6, 3 2 6
2013-3-1 31
4、对外贸易取得突破性进展，电子信息产品成为我国主要出口
产品
1999年出口总额达到 390亿美元，约占 1999年全国出口额的 20％。
1980~1999年电子信息产品出口状况
( 亿美元 )
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
1980 年 1985 年 1990 年 1995 年 1999 年
0, 1
3 7, 9
165, 3
390
2013-3-1 32
? 我国集成电路生产能力方面,
93年 生产的 集成电路为 1.78亿块，占世界总产量的
0.4%，相当于美国 1969年的水平，日本 1971年的水平。
96年 为 7.09亿块，而 1996年国内集成电路市场总用量
为 67.8亿块,国内市场占有率仅为 10％。
99年 为 23亿块,销售额 70多亿元，国内市场占有率不
足 20％，绝大部分依靠进口。
2000年 需求量为 227亿块，可生产 58亿块，国内市场
占有率 25%。
总之，我国集成电路产业的总体发展水平还很低，与
国外相比大约落后 15年。
2013-3-1 33
? 目前我国的半导体集成电路生产分为三大类,
? 第一类是企业,
上海华虹 NEC（ HHNEC）,0.25μ m的 8英寸的集成电路生产线。（ Fab)
上海中芯国际,0.18μ m的 8英寸的集成电路生产线。（ foundry)
上海宏力,0.18-0.25μm的 6英寸的集成电路生产线。 (foundry)
上海先进,0.8-1.2μm两条集成电路生产线（双极,MOS）。（ foundry)
上海贝岭（ Beling）,1.0-1.5μm的 4英寸的生产线，新建一条 8英寸生产
线主要作数模混合，与中心、先进、宏力互补。
无锡华晶,0.8-1.0μm的 6英寸的生产线。
绍兴华越，从日本富士通引进的二手线,2μ m的 5英寸的生产线。
北京的首钢 NEC（ SGNEC）, 0.5-0.8μm的 6英寸的生产。 (Fab)
天津摩托罗拉,0.25μ m的 8英寸的集成电路生产线。
2013-3-1 34
? 第二类是科研,
清华大学微电子所，由 IBM捐赠了一条 0.5-0.35μ m的 6英寸的
生产线。
中科院微电子研究中心,0.5μ m -0.35μ m 的 4英寸的生产线。
上海冶金所,0.8μ m 的 4英寸的生产线。
? 第三类是军工,
西安 771所,1-2μ m 的 3英寸的生产线。
蚌埠 214所（兵工器总公司）,2-3μ m 的 3英寸的生产线。
2013-3-1 35
2002年度十大晶圆代工厂排名
单位：亿美元
公司名称 销售量 排名 2 0 0 1 年排名
台积电 （ T S MC ） 5 1 1 1
台联电 （ UM C ） 2 2 2 2
特许半导体 （ Ch a rte red ） 5,0 5 3 3
韩国 A n a n 2,4 4 4
德国 X- f a b 2,4 5 5
马来西亚 S ilte rr a 1,2 6 1 2
马来西亚 1 stS ili co n 1,1 5 7 1 3
上海先进 （ A S MC ） 1,1 8 6
中芯国际 （ S MIC ） 0,9 5 9 -
新加坡 S S MC 0,9 10 1 1
2013-3-1 36
三、集成电路设计与 EDA软件工具
集成电路产业是以市场、设计、制造、应
用为主要环节的系统工程。设计是连接市场和
制造之间的桥梁，是集成电路产品开发的入口。
成功的产品来源于成功的设计。
成功的设计取决于优秀的设计工具。
2013-3-1 37
? 在集成电路产业发展初期, 集成电路设计附属于半
导体工业加工, 主要是手工设计 。 第一代的 IC CAD
系统为 IC设计师提供方便的版图编辑, 设计验证和
数据转换等功能 。
? 70年代, MOS工艺发展迅速成为制造 IC的主体工艺 。
提出了设计与生产制造相对独立的思想 。
? 80年代初, IC CAD技术进入了第二代, 为设计师提
供了方便的原理图编辑, 仿真和物理版图的布图,
验证功能 。
? 80年代中集成电路设计已经形成, 出现了 Fab，
Foundry,Fabless,Design Ｈ ouse。 IC CAD产业也开
始形成 。
2013-3-1 38
? 90年代初,IC设计业已经非常发达，在追求速度的
同时，提高成品率。 IC CAD技术进入了第三代，包
括有系统级的设计及验证工具。
信息产业市场中的 EDA
8000亿 US$
1000亿 US$
300亿 US$
16亿 US$
信息产业
微电子产品
ASIC产品
EDA产品
2013-3-1 39
? 目前，第四代 IC CAD工具 ―― EDA工具的开
发正在紧锣密鼓地进行。
由于集成电路的工艺水平已经进入深亚微米
（ <0.6微米），在 0.8微米工艺以下，连线延
迟已占总延迟的 70％，因而计算工作量要比
微米及亚微米增大。
设计工具改进所增加的设计能力必须超过工
艺增长速度，才能适应工艺的快速发展。
2013-3-1 40
IC 设计的发展
? 设计附属于制造，手工设计 。
? 设计业独立,Fabless,Design House。
? 设计追求时间和成品率。
? soc设计。
2013-3-1 41
EDA（ ICCAD） 的发展
? 第一代：七十年代以 Applicon,Calma,CV为代表的版图
编辑 +DRC
? 第二代：八十年代以 Mentor,Daisy,Valid为代表的 IC
CAD系统，原理图输入、模拟、分析、自动布图及验证
? 第三代：九十年代以 Cadence,Synopsys,Avanti等为
代表的 EDA系统，包括有系统级的设计工具
? 第四代：正在研制面向 VDSM + System-On-a-Chip的新
一代 EDA系统
2013-3-1 42
设计和工艺的差距越来越大
1986 1988 1990 1992 1994
0
2M
4M
6M
8M
10M
12M
14M
16M
可以利用的门数
设计周期为一年，不使用系统级宏单元时，
能设计的门数
2013-3-1 43
? 目前设计业面临的关键问题,
（１）设计方法学的研究：理论和设计流程。
（２） IP核的复用。
（３）功耗、噪声和电迁移的分析工具。
（４）超深亚微米的布图设计工具。
（５）针对大规模芯片的阻、容、感提取工具。
（６）复杂芯片的物理验证、形式验证工具。
（７）确认和测试工具。
2013-3-1 44
四、国内工业界的集成电路设计情况,
? 近年来，我国 IC设计业如雨后春笋般发展，
目前，大约有 300家设计公司，主要分布
在上海及长江三角洲地区、北京及华北东
北地区、深圳及珠江三角洲地区和西安、
成都等中西部地区。
2013-3-1 45
? 集成电路设计园区：北京、上海、西安、无锡、
杭州、深圳等。
? 主流设计为 0.8μ m -1.5μ m 。 能够达到
0.25μ m设计水平或百万门级产品设计能力的企
业很少。
? 设计人员 10000人。
? 人数超过 50人的设计公司不足 40家。
2013-3-1 46
五、我国 IC CAD（ EDA） 发展的过程
? 从八十年代初开始，至今已有二十多年研究历史。
? 国家第一代（ 1980-1983）、第二代（ 1986-
1988）和第三代（ 1988-1991） IC CAD系统的
研制，第三代系统以 PANDA系统为代表。
? 中国华大集成电路设计中心,版图编辑、验证，
VHDL环境,REUSE, PANDA系统 已有 47家
用户，近几年已销售￥ 3000多万，在国内安装
套数占 30%
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? 国内 EDA的研究主要集中在大学,
? 复旦大学 - 布图,FPGA,模拟电路
? 杭州电子工业学院（浙江大学） - 布图、模拟
? 北京大学 - 器件模型
? 北京理工大学 - 综合、验证
? 上海交通大学 - 版图验证
? 哈尔滨工业大学 - 综合,AHDL
? 清华大学微电子所、电子工程系 -模拟电路、器
件模拟
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第二节 电子产品开发 过程
一、产品开发的三个阶段,
第一阶段：制定产品要求、规格和结构。
第二阶段：完成电气与物理设计。
第三阶段：从第一个产品诞生到批量生产的设计过程。
二、产品设计的过程,
设计前期：技术规范的形成和验证。
系统设计：设计过程的主要阶段。
设计后期：测试生成。
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? 设计前期任务,
（ 1）识别用户要求
（ 2）高层次的用户要求仿真
（ 3）性能仿真
（ 4）产生技术规范
（ 5）验证技术规范的有效性
? 系统设计任务,
（ 1）软 /硬件的划分
（ 2）分解硬件与生成自系统级、印刷电路板级
和元件级技术规范
（ 3）软件开发
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（ 4）行为功能和性能的仿真
（ 5）逻辑综合
（ 6）电路设计和验证设计的仿真
（ 7）可靠性分析
（ 8）硬件制造
（ 9）元件级、印刷板级和子系统级的设计测试
（ 10）硬 /软件集成、系统测试及鉴定评估
? 设计后期
为系统软件和硬件的测试生成测试程序和测试向
量
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三、电子产品设计流程
用户提出技术要求
系统目标定义
建立算法与仿真验证
任务分解与定义设计规范
系统描述与系统 （行为功能）仿真
概念
验证
第一阶段
专用处理 数据流
硬件设计 算法软件设计
控制流
控制软件设计
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综合与优化
专用开发系统 V H D L 库
门级仿真硬件仿真库
S m a r t M od e l 库
专用处理
数据流
硬件设计
算法软件设计
控制流
控制软件设计
电路结构与模块划分
A S I C 实现方式
的综合优化
F P G A 实现方式
的综合优化
A S I C 库 F P G A 库
PCB, M C M 实现方法
电路级验证
物理设计
参数提取后仿真
系统调试
产品样机定型
批量生产与型号生产
用户的使用要求 厂家的工艺条件
仪表
第二阶段
第三阶段
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? 流程
? 系统目标定义
? 建立算法与仿真验证
? 系统任务的分解与设计规范定义
? 系统的描述与仿真
? 硬件、算法软件和控制软件的设计
? 综合优化与门级仿真
? 物理设计（布局布线）与参数提取后仿真
? 系统调试
? 从样品到产品批量生产
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四, VLSI设计步骤,
? 1,系统规范化说明 （ System Specification）
包括系统功能, 性能, 物理尺寸, 设计模式, 制
造工艺, 设计周期, 设计费用等等 。
? 2,功能设计 （ Function Design）
将系统功能的实现方案设计出来 。 通常是给出系统
的时序图及各子模块之间的数据流图 。
? 3,逻辑设计 （ Logic Design）
这一步是将系统功能结构化 。 通常以文本, 原理
图, 逻辑图表示设计结果, 有时也采用布尔表达
式来表示设计结果 。
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? 4,电路设计 （ Circuit Design）
电路设计是将逻辑设计表达式转换成电路实现 。
? 5,物理设计 （ Physical Design or Layout Design）
物理设计或称版图设计是 VLSI设计中最费时的一步 。
它要将电路设计中的每一个元器件包括晶体管, 电
阻, 电容, 电感等以及它们之间的连线转换成集成
电路制造所需要的版图信息 。
? 6,设计验证 （ Design Verification）
在版图设计完成以后, 非常重要的一步工作是版图
验证 。 主要包括：设计规则检查 （ DRC）, 版图的
电路提取 （ NE）, 电学规检查 （ ERC） 和寄生参数
提取 （ PE） 。
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系统描述
功能设计
逻辑设计
电路设计
物理设计
设计验证
芯片制造
X =( A B*C D )+ (A +D )+ (A D +C )
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第三节 VLSI设计中的问题
一, 成本问题
VLSI的成本包括：设计费用, 制造费用及此过程中工程师的
工资 。
二, 设计正确性要求
设计的正确性是 IC设计中最基本的要求 。 IC设计一旦完成并
送交制造厂生产后, 再发现有错误, 就需要重新制版, 重新
流片, 这会造成巨大的损失 。 因此, 要保证 100％ 的设计正确
性 。
三, 设计过程集成化
在复杂的系统设计中上层设计对下层设计的指导越来越重要 。
同时, 由于对系统性能的要求, 在上层设计时对下层信息
（ 工艺, 布局布线 ） 的依赖性也越来越强 。
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由于 IC设计这一独特的限制, 就需要有功能更强, 性能
更好的 EDA设计平台将整个集成电路设计过程统一考虑,
前后呼应, 从全局的观点使系统设计达到最优 。
目前, 实际上计算机辅助设计软件及工具几乎渗透了
VLSI设计的各个步骤中：工艺模拟, 器件模拟, 电路分析,
逻辑验证, 版图验证及参数提取, 布图工具, 综合工具,
封装工具,.....。
四, VLSI设计的可测试性问题
测试在 VLSI设计中是一个十分重要的课题 。 测试的意义在
于检查电路是否能按设计要求正常工作 。 随着 VLSI功能的
日趋复杂, 测试费用所占的比例明显增大, 虽然芯片测试
是在 VLSI生产过程当中进行的, 但是为了减小测试所需要
的资源, 往往在电路设计阶段就要考虑其可测试性的问题,
增强测试的简易性 。 具体做法是在已有的逻辑设计基础上
添加一些专门用于测试的辅助电路 。
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第四节 VLSI的设计方法学
? VLSI设计方法学旨在人工干预设计与 CAD工
具之间的交互过程中取得尽可能高的设计效
率 。
一, VLSI设计的一般形式
层次式设计是 VLSI设计中最广泛使用的方法,
它可以简化 VLSI设计的复杂性 。 层次式设计
方法分为自顶向下和自底向上两种方法 。
目前广泛采用的是两者结合的设计方法 。
二, 层次化设计的三个域
行为域, 结构域和几何域 。
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三,VLSI设计描述
设计级别 行为描述 结构描述 几何描述 计算机描述
功能级 算法流程图 方块图 V H D L
寄存器
传输级
有限状态机
状态图
方框图 V H D L
门 级 卡诺图
布尔方程
逻辑图 V H D L
逻辑模拟
晶体管级 网络方程 电路图 Y A L, S P I C E
D E F / L E F
版图级 电子、空穴
等传输方程
设计规则、
工艺要求
版 图 C I F, E D I F,
G D S 2
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? 计算机描述语言,对于不同的设计层次, 都需要用
计算机来进行辅助设计 。 因此, 需要有一套计算机
能处理的语言来描述设计结果和设计要求 。
? VHDL(Very High-speed Integrated Circuit Hardware
Description Language) 。
? SPICE是一种用于电路分析的软件工具, 它本身规
定了一套电路描述方法 。
? DEF/LEF及 YAL都是专门用于布图设计的电路描述
语言 。
? CIF是一种几何描述语言, 它用来描述物理版图, 该
语言是工业界的标准格式, 它与另外的两种版图描
述语言 GDS2,EDIF之间可以相互转换 。
