IC設(shè)計(jì) 又名：IntegratedCircuitDesign

       集成電路設(shè)計(jì)（Integrated circuit design, IC design），亦可稱之為超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)（VLSI design），是指以集成電路、超大規(guī)模集成電路為目標(biāo)的設(shè)計(jì)流程。集成電路設(shè)計(jì)涉及對(duì)電子器件（例如晶體管、電阻器、電容器等）、器件間互連線模型的建立。所有的器件和互連線都需安置在一塊半導(dǎo)體襯底材料之上，這些組件通過(guò)半導(dǎo)體器件制造工藝（例如光刻等）安置在單一的硅襯底上，從而形成電路。　

基本概念

　　IC設(shè)計(jì)涉及硬件軟件兩方面專業(yè)知識(shí)。硬件包括數(shù)字邏輯電路的原理和應(yīng)用、模擬電路、高頻電路等。軟件包括基礎(chǔ)的數(shù)字邏輯描述語(yǔ)言，如VHDL等，微機(jī)匯編語(yǔ)言及C語(yǔ)言。作為初學(xué)者，需要了解IC設(shè)計(jì)的基本流程：基本清楚系統(tǒng)、前端、后端設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的過(guò)程，IC設(shè)計(jì)同半導(dǎo)體物理、 通信 或多媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，了解數(shù)字電路、混合信號(hào)的基本設(shè)計(jì)過(guò)程。

　　IC設(shè)計(jì)是將系統(tǒng)、邏輯與性能的設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為具體的物理版圖的過(guò)程，也是一個(gè)把產(chǎn)品從抽象的過(guò)程一步步具體化、直至最終物理實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。為了完成這一過(guò)程，人們研究出了層次化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法：層次化的設(shè)計(jì)方法能使復(fù)雜的系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并能在不同的設(shè)計(jì)層次及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并加以糾正；結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法是把復(fù)雜抽象的系統(tǒng)劃分成一些可操作的模塊，允許多個(gè)設(shè)計(jì)者同時(shí)設(shè)計(jì)，而且某些子模塊的資源可以共享。

　　IC設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是硬件電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)要求，提出設(shè)計(jì)構(gòu)思，并將這個(gè)構(gòu)思逐步細(xì)化，直到具體代碼實(shí)現(xiàn)；在由代碼綜合出門及網(wǎng)表，生成版圖，最終制成產(chǎn)品的過(guò)程。在IC產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，好的設(shè)計(jì)思想價(jià)值千金，當(dāng)然，有了好的設(shè)計(jì)思想之后，也需要高水平的設(shè)計(jì)技能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)流程

　　集成電路設(shè)計(jì)的流程一般先要進(jìn)行軟硬件劃分，將設(shè)計(jì)基本分為兩部分：芯片硬件設(shè)計(jì)和軟件協(xié)同設(shè)計(jì)。

芯片硬件設(shè)計(jì)包括：

　　1．功能設(shè)計(jì)階段。

　　設(shè)計(jì)人員產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)定一些諸如功能、操作速度、接口規(guī)格、環(huán)境溫度及消耗功率等規(guī)格，以做為將來(lái)電路設(shè)計(jì)時(shí)的依據(jù)。更可進(jìn)一步規(guī)劃軟件模塊及硬件模塊該如何劃分，哪些功能該整合于SOC 內(nèi)，哪些功能可以設(shè)計(jì)在電路板上。

　　2．設(shè)計(jì)描述和行為級(jí)驗(yàn)證

　　供能設(shè)計(jì)完成后，可以依據(jù)功能將SOC 劃分為若干功能模塊，并決定實(shí)現(xiàn)這些功能將要使用的IP 核。此階段將接影響了SOC 內(nèi)部的架構(gòu)及各模塊間互動(dòng)的訊號(hào)，及未來(lái)產(chǎn)品的可靠性。

　　決定模塊之后，可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各模塊的設(shè)計(jì)。接著，利用VHDL 或Verilog 的電路仿真器，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能驗(yàn)證（function simulation，或行為驗(yàn)證 behavioral simulation）。

　　注意，這種功能仿真沒(méi)有考慮電路實(shí)際的延遲，但無(wú)法獲得精確的結(jié)果。

　　3．邏輯綜合

　　確定設(shè)計(jì)描述正確后，可以使用邏輯綜合工具（synthesizer）進(jìn)行綜合。

　　綜合過(guò)程中，需要選擇適當(dāng)?shù)倪壿嬈骷?kù)（logic cell library），作為合成邏輯電路時(shí)的參考依據(jù)。

　　硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)描述文件的編寫風(fēng)格是決定綜合工具執(zhí)行效率的一個(gè)重要因素。事實(shí)上，綜合工具支持的HDL 語(yǔ)法均是有限的，一些過(guò)于抽象的語(yǔ)法只適于作為系統(tǒng)評(píng)估時(shí)的仿真模型，而不能被綜合工具接受。

　　邏輯綜合得到門級(jí)網(wǎng)表。

　　4．門級(jí)驗(yàn)證（Gate-Level Netlist Verification）

　　門級(jí)功能驗(yàn)證是寄存器傳輸級(jí)驗(yàn)證。主要的工作是要確認(rèn)經(jīng)綜合后的電路是否符合功能需求，該工作一般利用門電路級(jí)驗(yàn)證工具完成。

　　注意，此階段仿真需要考慮門電路的延遲。

　　5．布局和布線

　　布局指將設(shè)計(jì)好的功能模塊合理地安排在芯片上，規(guī)劃好它們的位置。布線則指完成各模塊之間互連的連線。

　　注意，各模塊之間的連線通常比較長(zhǎng)，因此，產(chǎn)生的延遲會(huì)嚴(yán)重影響SOC的性能，尤其在0.25 微米制程以上，這種現(xiàn)象更為顯著。

　　目前，這一個(gè)行業(yè)仍然是中國(guó)的空缺，開(kāi)設(shè)集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專業(yè)的大學(xué)還比較少，其中師資較好的學(xué)校有 上海交通大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江大學(xué)、東南大學(xué)，西安電子科技大學(xué)，電子科技大學(xué)，哈爾濱理工大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)，華東師范大學(xué)等。

　　這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)逐漸飽和，越來(lái)越有趨勢(shì)走上當(dāng)年軟件行業(yè)的道路。

模擬集成電路設(shè)計(jì)的一般過(guò)程：

　　1.電路設(shè)計(jì)

　　依據(jù)電路功能完成電路的設(shè)計(jì)。

　　2.前仿真

　　電路功能的仿真，包括功耗，電流，電壓，溫度，壓擺幅，輸入輸出特性等參數(shù)的仿真。

　　3.版圖設(shè)計(jì)（Layout）

　　依據(jù)所設(shè)計(jì)的電路畫版圖。一般使用Cadence軟件。

　　4.后仿真

　　對(duì)所畫的版圖進(jìn)行仿真，并與前仿真比較，若達(dá)不到要求需修改或重新設(shè)計(jì)版圖。

　　5.后續(xù)處理

　　將版圖文件生成GDSII文件交予Foundry流片。

抽象級(jí)別

　　集成電路設(shè)計(jì)通常是以“模塊”作為設(shè)計(jì)的單位的。例如，對(duì)于多位全加器來(lái)說(shuō)，其次級(jí)模塊是一位的加法器，而加法器又是由下一級(jí)的與門、非門模塊構(gòu)成，與、非門最終可以分解為更低抽象級(jí)的CMOS器件。

　　從抽象級(jí)別來(lái)說(shuō)，數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)可以是自頂向下的，即先定義了系統(tǒng)最高邏輯層次的功能模塊，根據(jù)頂層模塊的需求來(lái)定義子模塊，然后逐層繼續(xù)分解；設(shè)計(jì)也可以是自底向上的，即先分別設(shè)計(jì)最具體的各個(gè)模塊，然后如同搭積木一般用這些最底層模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)上層模塊，最終達(dá)到最高層次。在許多設(shè)計(jì)中，自頂向下、自底向上的設(shè)計(jì)方法學(xué)是混合使用的，系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員對(duì)整體體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃，并進(jìn)行子模塊的劃分，而底層的電路設(shè)計(jì)人員逐層向上設(shè)計(jì)、優(yōu)化單獨(dú)的模塊。最后，兩個(gè)方向的設(shè)計(jì)人員在中間某一抽象層次會(huì)合，完成整個(gè)設(shè)計(jì)。

硬件實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于不同的設(shè)計(jì)要求，工程師可以選擇使用半定制設(shè)計(jì)途徑，例如采用可編程邏輯器件（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列等）或基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)的專用集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路；也可以使用全定制設(shè)計(jì)，控制晶體管版圖到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全部細(xì)節(jié)。

全定制設(shè)計(jì)

　　這種設(shè)計(jì)方式要求設(shè)計(jì)人員利用版圖編輯器來(lái)完成版圖設(shè)計(jì)、參數(shù)提取、單元表征，然后利用這些自己設(shè)計(jì)的單元來(lái)完成電路的構(gòu)建。通常，全定制設(shè)計(jì)是為了最大化優(yōu)化電路性能。如果標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)中缺少某種所需的單元，也需要采取全定制設(shè)計(jì)的方法完成所需的單元設(shè)計(jì)。不過(guò)，這種設(shè)計(jì)方式通常需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

半定制設(shè)計(jì)

　　與全定制設(shè)計(jì)相對(duì)的設(shè)計(jì)方式為半定制設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)而言之，半定制集成電路設(shè)計(jì)是基于預(yù)先設(shè)計(jì)好的某些邏輯單元。例如，設(shè)計(jì)人員可以在標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)（通?？梢詮牡谌劫?gòu)買）的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)專用集成電路，從中選取所需的邏輯單元（例如各種基本邏輯門、觸發(fā)器等）來(lái)搭建所需的電路。他們也可以使用可編程邏輯器件來(lái)完成設(shè)計(jì)，這類器件的幾乎所有物理結(jié)構(gòu)都已經(jīng)固定在芯片之中，僅剩下某些連線可以由用戶編程決定其連接方式。與這些預(yù)先設(shè)計(jì)好的邏輯單元有關(guān)的性能參數(shù)通常也由其供應(yīng)商提供，以方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行時(shí)序、功耗分析。在半定制的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)周期短、成本低。

可編程邏輯器件

　　可編程邏輯器件通常由半導(dǎo)體廠家提供商品芯片，這些芯片可以通過(guò)JTAG等方式和計(jì)算機(jī)連接，因此設(shè)計(jì)人員可以用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具來(lái)完成設(shè)計(jì)，然后將利用設(shè)計(jì)代碼來(lái)對(duì)邏輯芯片編程?？删幊踢壿嬯嚵行酒诔鰪S前就提前定義了邏輯門構(gòu)成的陣列，而邏輯門之間的連接線路則可以通過(guò)編程來(lái)控制連接與斷開(kāi)。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)連接線的編程可以通過(guò)EPROM（利用較高壓電編程、紫外線照射擦除）、EEPROM（利用電信號(hào)來(lái)多次編程和擦除）、SRAM、閃存等方式實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列是一種特殊的可編程邏輯器件，它的物理基礎(chǔ)是可配置邏輯單元，由查找表、可編程多路選擇器、寄存器等結(jié)構(gòu)組成。查找表可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)，如三個(gè)輸入端的查找表可以實(shí)現(xiàn)所有三變量的邏輯函數(shù)。

專用集成電路

　　針對(duì)特殊應(yīng)用設(shè)計(jì)的專用集成電路（ASIC）的優(yōu)點(diǎn)是面積、功耗、時(shí)序可以得到最大程度地優(yōu)化。專用集成電路只能在整個(gè)集成電路設(shè)計(jì)完成之后才能開(kāi)始制造，而且需要專業(yè)的半導(dǎo)體工廠的參與。專用集成電路可以是基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)，也可以是全定制設(shè)計(jì)。在后一種途徑中，設(shè)計(jì)人員對(duì)于晶圓上組件的位置和連接有更多的控制權(quán)，而不像可編程邏輯器件途徑，只能選擇使用其中部分硬件資源，從而造成部分資源被浪費(fèi)。專用集成電路的面積、功耗、時(shí)序特性通?？梢缘玫礁玫膬?yōu)化。然而，專用集成電路的設(shè)計(jì)會(huì)更加復(fù)雜，并且需要專門的工藝制造部門（或者外包給晶圓代工廠）才能將GDSII文件制造成電路。一旦專用集成電路芯片制造完成，就不能像可編程邏輯器件那樣對(duì)電路的邏輯功能進(jìn)行重新配置。對(duì)于單個(gè)產(chǎn)品，在專用集成電路上實(shí)現(xiàn)集成電路的經(jīng)濟(jì)、時(shí)間成本都比可編程邏輯器件高，因此在早期的設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中，常用可編程邏輯器件，尤其是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列；如果所設(shè)計(jì)的集成電路將要在后期大量投產(chǎn)，那么批量生產(chǎn)專用集成電路將會(huì)更經(jīng)濟(jì)。

和芯片設(shè)計(jì)區(qū)別

　　IC設(shè)計(jì)和芯片設(shè)計(jì)在本質(zhì)上密切相關(guān)，但在具體語(yǔ)境和應(yīng)用中可能存在一定的區(qū)別。以下是對(duì)兩者區(qū)別的詳細(xì)分析：

1. 定義與范圍

　　IC設(shè)計(jì)（Integrated Circuit Design）：指的是設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)集成電路（IC）的全過(guò)程，涉及從電路功能的規(guī)劃、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到邏輯實(shí)現(xiàn)等多個(gè)方面。它強(qiáng)調(diào)的是整個(gè)集成電路芯片的設(shè)計(jì)，包括電路的設(shè)計(jì)、信號(hào)的處理和邏輯控制等方面。IC設(shè)計(jì)旨在在一個(gè)芯片上集成多個(gè)電子器件和電路，以便于實(shí)現(xiàn)高度集成和復(fù)雜的功能。

　　芯片設(shè)計(jì)：通常指的是具體設(shè)計(jì)一塊芯片的過(guò)程，這個(gè)芯片可以是一個(gè)獨(dú)立的集成電路（IC），也可以是一個(gè)嵌入在其他設(shè)備中的芯片（如處理器芯片、圖形芯片等）。芯片設(shè)計(jì)更側(cè)重于對(duì)特定芯片的功能需求進(jìn)行分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、電源管理、時(shí)序優(yōu)化、布局布線等步驟。

2. 側(cè)重點(diǎn)

　　IC設(shè)計(jì)：側(cè)重于集成電路的整體規(guī)劃和設(shè)計(jì)，包括電路邏輯、信號(hào)處理、功能實(shí)現(xiàn)等多個(gè)層面。它需要考慮芯片的制造工藝、物理結(jié)構(gòu)、功能模塊之間的電氣連接，以及如何保證整個(gè)芯片的可靠性和性能。

　　芯片設(shè)計(jì)：則更側(cè)重于芯片內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)學(xué)方法、算法、電路網(wǎng)絡(luò)等在內(nèi)的部分設(shè)計(jì)，并且通常僅涉及特定的工業(yè)電子市場(chǎng)領(lǐng)域。芯片設(shè)計(jì)旨在利用數(shù)字集成技術(shù)和模擬集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特定功能的電路和系統(tǒng)，并優(yōu)化電路的參數(shù)和性能，以滿足特定的市場(chǎng)需求。

3. 語(yǔ)境與用法

　　在大多數(shù)情況下，IC設(shè)計(jì)和芯片設(shè)計(jì)可以互換使用，因?yàn)樗鼈兌忌婕暗郊呻娐返脑O(shè)計(jì)過(guò)程。然而，在某些特定語(yǔ)境下，兩者可能會(huì)有所區(qū)別。例如，在討論數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)、RTL編程、電路仿真和驗(yàn)證時(shí)，可能更傾向于使用IC設(shè)計(jì)；而在討論物理設(shè)計(jì)處理、如偏振光在芯片上的傳輸、振蕩器的特性等時(shí)，可能更傾向于使用芯片設(shè)計(jì)。

4. 設(shè)計(jì)流程

　　無(wú)論是IC設(shè)計(jì)還是芯片設(shè)計(jì)，都遵循類似的設(shè)計(jì)流程，包括需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、邏輯仿真、布局設(shè)計(jì)、物理驗(yàn)證、版圖設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和仿真、產(chǎn)生工藝文件以及制造和測(cè)試等階段。

　　綜上所述，IC設(shè)計(jì)和芯片設(shè)計(jì)在本質(zhì)上是相似的，都涉及到集成電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。但在具體語(yǔ)境和應(yīng)用中，兩者可能存在一定的區(qū)別，主要體現(xiàn)在定義范圍、側(cè)重點(diǎn)和語(yǔ)境用法上。然而，這種區(qū)別并不是普遍存在的，具體使用時(shí)可能因語(yǔ)境不同而有所不同。在大多數(shù)情況下，兩者可以互換使用來(lái)指代集成電路設(shè)計(jì)的過(guò)程。