МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ВВЕДЕНИЕ В СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Часть I
Учебно-методическое пособие
Составители:
А. В. Тучин, Е. Н. Бормонтов,
К. Г. Пономарев
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2017
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................................................. 6
1. САПР: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ................................................... 7
1.1. Введение ................................................................................................................................ 7
1.2. Понятие САПР, цели и задачи ............................................................................................. 7
1.3.
Обеспечение САПР ............................................................................................................... 9
1.4. Классификация САПР ........................................................................................................ 11
1.5. САПР интегральных микросхем ....................................................................................... 13
1.5.1. Предпосылки развития ................................................................................................ 13
1.5.2. Рождение индустрии САПР ИМС ............................................................................. 16
1.5.3. Особенности развития САПР цифровых и аналоговых ИМС ................................ 18
1.5.4. Субмикронные технологии......................................................................................... 19
1.5.5. Нанометровые технологии ......................................................................................... 20
Будущее САПР .................................................................................................................... 22
1.7. Вопросы для самопроверки ............................................................................................... 23
1.6.
2. ВВЕДЕНИЕ В МЕТОДОЛОГИЮ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ...................................................... 24
2.1. Введение .............................................................................................................................. 24
2.2.
Исходные данные для проектирования ИМС .................................................................. 24
2.3. Маршрут проектирования ИМС ........................................................................................ 26
2.4. Пример: разработка датчика давления в шинах .............................................................. 32
2.5. Вопросы для самопроверки ............................................................................................... 35
3. ТИПОВОЙ КОМПЛЕКТ РАЗРАБОТКИ ................................................................................. 36
3.1. Введение .............................................................................................................................. 36
3.2. Функции PDK ...................................................................................................................... 36
3.3.
3.4.
Представления элементов .................................................................................................. 37
Элементы библиотеки PDK ............................................................................................... 38
3.5. Состав PDK .......................................................................................................................... 40
3.6. Вопросы для самопроверки ............................................................................................... 42
4. ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ ............................. 43
4.1. Введение .............................................................................................................................. 43
4.2. Примеры правил проектирования ..................................................................................... 43
4.3.
Логические операции над слоями ..................................................................................... 47
4.3.1. AND-функция ............................................................................................................... 48
3
Стр.3
ВВЕДЕНИЕ
Систем автоматизированного проектирования (САПР) позволяют существенно
повысить производительность труда разработчиков в различных сферах производства, за
счет переноса сложных вычислений и однотипных операций на компьютер или сервер.
Практически весь процесс разработки современных интегральных микросхем осуществляется
средствами специализированных САПР. Знание основ работы САПР микросхем
позволяет будущим разработчикам быстрее включиться в процесс разработки реальных
кристаллов.
В пособии кратко описана история развития систем автоматизированного проектирования
микросхем, представлен типовой маршрут проектирования цифровых микросхем,
освещены вопросы физической верификации топологии, а также правила разработки
цифровых ячеек и цифровых библиотек.
6
Стр.6
1. САПР: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ
1.1. Введение
В настоящее время практически все конструкторские бюро и дизайн-центры
оснащены компьютерами, поэтому реализация идей инженерами с помощью кульмана,
карандаша и логарифмической линейки стали неактуальными. Применение программных
пакетов, призванных создавать конструкторскую и технологическую документацию,
3D модели и чертежи (систем автоматизированного проектирования, САПР), конструкторами,
технологами, архитекторами, исследователями, программистами стало
практически повсеместным. Поэтому инженеры-разработчики должны обладать знаниями
основ автоматизации проектирования и уметь работать со средствами САПР.
Из этой главы вы узнаете:
Что такое системы автоматизированного проектирования (САПР)
Области применения САПР
Цели и задачи САПР
Классификацию САПР
В чем отличия между САПР, CAD, CAM, CAE и EDA
Историю развития САПР интегральных микросхем
По каким направлениям развиваются САПР
1.2. Понятие САПР, цели и задачи
Система автоматизированного проектирования — автоматизированная система,
реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования,
представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для
автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических,
программных и других средств автоматизации его деятельности. Также для
обозначения подобных систем широко используется аббревиатура САПР.
Для обозначений всего спектра различных технологий автоматизации с помощью
компьютера в англоязычной литературе используется термин CAx (англ. computer-aided
technologies). Например, CAD-system (computer-aided design) – автоматизированное проектирование,
CAE-system (computer-aided engineering) – системы автоматизации инже7
Стр.7
нерных расчетов и анализа, CAM-system (computer-aided manufacturing) – системы автоматизации
технологических расчетов. Русскоязычное понятие САПР более общее и
включает специализированные понятия англоязычной литературы.
Важно отметить, что слово “автоматизированный” подчёркивает участие человека
в процессе, так как в САПР часть функций выполняет человек, а автоматическими
являются только отдельные проектные операции и процедуры.
Драйвером развития САПР стали научно-исследовательские предприятия военнопромышленных
комплексов. В США первый аппаратно-программный комплекс для систем
противовоздушной обороны был создан в 1947 г. Первая советская САПР была
разработана в конце 1980-х гг.
На сегодняшний момент, в большинстве случаев САПР решает задачи автоматизации
работ на стадиях проектирования и подготовки производства.
Основная цель создания САПР — повышение эффективности труда инженеров,
включая:
сокращение трудоёмкости проектирования и планирования;
сокращение сроков проектирования;
сокращение себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение
затрат на эксплуатацию;
повышение качества и технико-экономического уровня результатов проектирования;
сокращение затрат на натурное моделирование и испытания.
Достижение этих целей обеспечивается путём:
автоматизации оформления документации;
информационной поддержки и автоматизации процесса принятия решений;
использования технологий параллельного проектирования;
унификации проектных решений и процессов проектирования;
повторного использования проектных решений, данных и наработок;
стратегического проектирования;
замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием;
повышения качества управления проектированием;
применения методов вариантного проектирования и оптимизации.
8
Стр.8
Именно поэтому предприятия, работающие без САПР или использующие ее в
малой степени, становятся неконкурентоспособными, а области применения САПР постоянно
расширяются и охватывают сферы энергетики, медицины, микроэлектроники,
автопромышленность, дизайн, строительство, научные исследования и многое другое
(рис. 1.1).
а
б
в
г
д
Рис. 1.1. Области применения САПР: а – автомобильная промышленность; б – космос;
в – микроэлектроника; г – нефтедобыча; д – медицина
1.3. Обеспечение САПР
Выделяют следующие виды обеспечения САПР:
Техническое обеспечение — совокупность связанных и взаимодействующих
технических средств (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, линии
связи, измерительные средства).
Математическое обеспечение, объединяющее математические методы, модели и
алгоритмы, используемые для решения задач автоматизированного проектирования.
9
Стр.9
Программное обеспечение, которое подразделяется на общесистемное и прикладное:
прикладное
ПО реализует математическое обеспечение для непосредственного
выполнения проектных процедур. Включает пакеты прикладных программ, предназначенные
для обслуживания определенных этапов проектирования или решения групп однотипных
задач внутри различных этапов;
общесистемное ПО предназначено для управления компонентами технического
обеспечения и обеспечения функционирования прикладных программ. Примером компонента
общесистемного ПО является операционная система.
Информационное обеспечение — совокупность сведений, необходимых для выполнения
проектирования. Состоит из описания стандартных проектных процедур, типовых
проектных решений, комплектующих изделий и их моделей, правил и норм проектирования.
Основная часть информационного обеспечения САПР — базы данных.
Лингвистическое обеспечение — совокупность языков, используемых в САПР
для представления информации о проектируемых объектах, процессе и средствах проектирования,
а также для осуществления диалога "проектировщик ЭВМ" и обмена данными
между техническими средствами САПР. Включает термины, определения, правила
формализации естественного языка. В лингвистическом обеспечении выделяют класс
различного типа языков проектирования и моделирования (VHDL, VERILOG, UML,
GPSS).
Методическое обеспечение — описание технологии функционирования САПР,
методов выбора и применения пользователями технологических приемов для получения
конкретных результатов. Включает в себя теорию процессов, происходящих в проектируемых
объектах, методы анализа, синтеза систем и их составных частей, различные методики
проектирования.
Организационное обеспечение — совокупность документов, определяющих состав
проектной организации, связь между подразделениями, организационную структуру
объекта и системы автоматизации, деятельность в условиях функционирования системы,
форму представления результатов проектирования.
Эргономическое обеспечение объединяет взаимосвязанные требования, направленные
на согласование психологических, психофизиологических, антропометрических
характеристик и возможностей человека с техническими характеристиками средств автоматизации
и параметрами рабочей среды на рабочем месте.
10
Стр.10