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1集成电路IC（integratedcircuit）是现代信息产业群的核心和基础，集成电路产业对国民经济、国家安全、人民生活和社会进步正在发挥着越来越重要的作用，因此发展我国集成电路产业对促进国民经济信息化的具有重要作用，也是信息产业发展的重中之重。集成电路设计业是集成电路产业中的一个重要环节，它是连接芯片制造和系统整机生产的纽带，是提升集成电路产品创新和整机功能的驱动器。在本章节中，首先介绍集成电路设计的发展现状及发展趋势，接着介绍现代集成电路设计业中所采用的主要设计方法。关键词发展趋势；正/逆向设计；工程技术（DRC、LVS）引言集成电路简称IC，是信息产业的核心和先导，被世界各国列为国家战略工业之首。日本、韩国、台湾和今天中国大陆的经济起飞，无不是从IC工业开始。目前，中国集成电路产业已经形成了IC设计、制造、封装测试三业及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局,集成电路设计业是集成电路产业的源头，它是连接芯片制造和系统整机生产的纽带，是提升集成电路产品创新和整机功能的驱动器。因此发展我国集成电路产业是推动国民经济信息化的重要保证，也是信息产业发展的重中之重。1.1国内外IC的发展情况及发展趋势2图-1.1在全球IC设计产业分布区域来看，北美IC设计业者仍是大赢家，占全球市场规模的75%，中国台湾IC设计业者居次，占全球20%的比重，欧洲、日本各占2%，中国大陆和加拿大分别有0.4%的比例(图-1.1)。3图-1.2从(图-1.2)可以看出我国IC产业规模很大，产量也很高，但是利润却很低。根本原因是我国不掌握高新技术产业的核心技术，没有自己的知识产权。产量越大，向外国缴的专利费、技术提成费也越多，中方只是获得微薄的劳务加工费。2004年全球IC设计公司收入前５强都是来自北美地区，依序是Qualcom、Broadcom、ATI、NVIDIA与SanDisk,前20大的中国台湾IC设计业者包括第七的联发科，第11名的威盛以及分局第12、13的凌阳和联咏。凌阳与联咏的营收入增幅分别为70.7%与68.6%，前20名种的美国Zoran一营收增幅75%据首。如图-1.3所示。图-1.3目前，中国集成电路产业已经形成了IC设计、制造、封装测试三业及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局，集成电路设计业是集成电路产业的源头，它是连接芯片制造业和系统整机生产的纽带，是提升集成电路产品创新和整机功能的驱动器。4图-1.4我国IC设计业经过初步发展，产品已经开始呈现多元化。近几年在全国IC设计业销售额中，IC卡芯片所占比重一直在20%左右。其应用领域涵盖了交通、通信、银行、信息管理、石油、劳动保障、身份识别、防伪等诸多方面。主要设计企业有大唐微电子、中国化大、上海华虹、清华同方、复旦微电子等，目前他们的产品包括以8位MCU位基础的接触卡和非接触卡、32位CPU接触卡和非接触卡、RF模块及射频读写IC以及智能标签等芯片。我国IC设计业的历史是以政府为主导，企业数量急速扩张的道路。面对世界发达国家和地区及IC列强，我国集成电路设计业无论在技术水平，还是经济规模都显得极其弱小。目前，虽然国内的IC设计公司很多，但经验规模和设计力量偏弱，主要盈利方式还是靠政府采购和行业用户，大多数IC设计公司难逃被淘汰和兼并的命运；此外，IC设计人才短缺是困扰全球IT业界的大问题，在信息产业蓬勃发展的中国显得更加突出。目前国内IC设计人员约4000人，2008年以前国内IC设计人员需求量约250000人。目前，美国SiliconValley，IC设计人员约4000000。我国IC设计行业发展任重而道远。1.2IC设计的两种模式集成电路设计是指根据电路功能和性能的要求，在正确悬着系统弄个配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下，尽量减小芯片面积，降低设计成本，缩短设计周期，以保证全局优化，设计出满足要求的基础电路。自20世纪60年代中期5集成电路产业在工业发达国家形成以来，为适应技术的发展和市场的需求，产业结构经历了三次大的变革，从三次变革中直接导致了集成电路设计业的形成。现在集成电路设计方法从大的方面可以分为两大类：正向设计和逆向设计(逆向工程)。正向设计正向设计即根据产品确定的指标和要求，从电路原理或系统原理出发，通过查阅相关规定和标准，利用已有知识和能力来设计模块和电路，最后得到集成电路物理实现所需要的几何图形。一般认为正向设计具体包含了以下三种基本的设计方法：自下而上（bottomup）即结构设计方法，自上而下（top-down）设计方法和并行设计方法。“自上向下”与“自下向上”的设计1．自下而上（bottomup）设计方法自下而上的设计方法是集成电路系统的基本设计方法，其基本思想是将复杂的系统逐层进行功能块划分和描述功能块的拓扑连接，直到用底层模块或部件来描述，当完成底层模块或部件的描述后，自下而上进行层次扩展和层次功能的仿真验证，从而完成整个系统的功能设计和验证。最后根据底层模块或部件的几何图形和拓扑关系完成布图设计和验证。虽然采用自下而上设计的系统结构清晰明了，但作为传统的系统硬件设计方法，在系统设计的早期就将系统人为地分为硬件和软件两部分，软件的开发受到硬件的严行为设计Top-down结构设计逻辑设计电路设计版图设计系统分解Bottom-up单元设计功能块划分子系统设计系统总成仿真和调试过程是在高层次完成，避免设计反复，减少了逻辑仿真的工作量设计过程反复较多，开发效率低，重复使用性差。6格限制，软件的设计和调试常常要在硬件设计完成之后。这种设计方法的一些缺点也是很明显，如要求设计者具有丰富的设计经验，设计过程反复较多，开发效率低，可移植性差，可继承性差，开发时间长，不易修改等等。2．自上而下设计方法自上而下设计方法的思想是按从抽象到具体，从概念到实现的思路和次序进行设计的，从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。具体实施时，首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图划分和结构设计，在方框图一级进行仿真和纠错，用硬件设计语言对高层次的系统行为级进行描述并在系统级进行验证，这时的设计与工艺无关。然后用逻辑综合化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，具体过程如图所示。然后再通过布局、布线、版图设计等，得到最终生产所用的描述文件。采用自上而下的设计方法时，主要的仿真和调试过程是在高层次完成的，这有利于早期发现在结构设计上的错误，避免设计反复，同时也减少了逻辑仿真的工作量。自上而下设计流程3．并行设计方法随着工艺技术的发展，深亚微米（DSM）已经投入使用，系统级芯片的规模更大、更复杂，物理连线延迟、信号串扰和噪音等互连效应及功耗都成为影响超大规模集成电路（VLSI）产品性能的重要因素。在这种情况下，由于采用自上而下的设计方法与7工艺无关的高层次行为功能设计时并不考虑物理上的互连效应和功耗等的影响，与实际情况差异较大，因而常常产生设计错误，并行设计方法正是面对这一挑战而提出来的。并行设计方法一开始就考虑产品在整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素。并行设计方法要求在进行层次功能设计的同时，进行层次物理设计规划或虚拟物理设计，充分利用各层次设计中的信息反馈，形成合理的约束集，并依此优化设计。逆向设计（逆向工程）芯片反向设计（工程)是一种从人们设计的优秀芯片中提取技巧和知识的过程，是获取芯片工艺、版图、电路、设计思想等信息的一种手段。简单而言，芯片反向设计就是通过对芯片内部电路的提取与分析、整理，实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面的深入洞悉，可用来验证设计框架或者分析信息流在技术上的问题，也可以助力新的芯片设计或者产品设计方案。通过这种逆向分析手段，我们可以帮助客户了解其他产品的设计,用于项目可行性研究、打开思路、寻找问题、成本核算等，比如：在进入新领域之前，评估、验证自己技术方案和设计思路的可行性；通过对市场上成熟产品的研究，协助解决关键性的技术问题；利用已有产品的市场资源，降低进入壁垒，实现更好的产品兼容性等等。芯谷芯片反向设计服务包括网表/电路图反向提取、电路层次化整理、逻辑功能分析、版图提取与设计、设计规则检查调整、逻辑版图验证、单元库替换以及工艺尺寸的缩放等方面。网表/电路图反向提取。在芯片反向设计中，网表/电路图的提取是个很大的课题，网表提取的质量和速度直接影响后续整理、仿真、LVS等方方面面的工作。我们在总结众多成功案例的基础上，依托自主研发的软件应用，可准确、快速、高质量地进行网表/电路图的提取。1.3正向设计的工程技术测试综合：8目的：集成电路的测试简单化；嵌入可测试结构，加速可测性设计；产品制造前就可评价的可测性；消除冗余逻辑；诊断不可测的逻辑结构。内容：测试嵌入、设计规则检查测试码生成、故障模拟/诊断和输出测试图样。仿真：仿真可以分为前仿真和后仿真，前仿真是功能仿真，目标是分析电路的逻辑关系的正确性，仿真速度快，可以根据需要观察电路输入输出端口和电路内部任一信号和寄存器的波形，后仿真是将电路的门延迟参数和各种电路单元之间的连线情况考虑在内后进行仿真，得到的仿真结果接近真实的应用情况，后仿真的速度相对于前仿真慢得多，在观测内部节点波形时比较困难，在一个完整的电路设计中应该包括这两个过程。1.4IC逆向设计工程技术从下图中我们不难看出，在实现整个IC逆向设计的过程中涉及到很多相关的工程技术，如DRC、LVS验证等，下面几节我们将从三个大的方面：版图分析、设计规则以及设计验证来对相关的工程技术进行介绍。芯片化学解剖、处理、分析、显微拍照将芯片进行贴图、标线进行版图工艺分析提取电路逻辑图并仿真分析根据特定工艺进行版图设计9图-1.4IC逆向设计流程1.版图分析集成电路的版图定义为制造集成电路时所用的掩模版上的几何图形，这些几何图形包括阱、有源区、多晶硅、N+和P+注入、接触孔以及金属层等。进行版图分析的主要目的有：一方面判断出版图使用的工艺，另一方面从版图中提取电路逻辑图，以进行相应的电路仿真。下面分别对一些常见的IC工艺加以介绍，并对如何从版图提取电路加以分析。2.IC工艺分析IC工艺的发展是紧随着器件的发展而发展的，同时它又反作用于器件的发展，采用不同的制造工艺，器件在物理特性方面就有差异，最后表现在集成电路上就是采用不同工艺的集成电路有不同的性能，适用于不同的应用领域。现在IC工艺主要有两大主流，分别是双极工艺和MOS工艺，因为双极工艺和MOS工艺各有各的优势，因此还出现了结合两者优点而发展起来的BICMOS工艺。3.设计规则根据特定生产线进行DRC验证电路与版图比较（LVS）从版图提取SPICE网表进行晶体管级的仿真输出标准的GDSII文件10版图绘制是要根据一定的设计规则来进行的，所谓的设计规则就是不管制造工艺的每一步出现什么样的偏差都能保证正确制造晶体管和各种连接的一套规则，虽然设计规则有很多，但具体的可以分为四大类：1．最小宽度：掩模板上定义的几何图形的宽度（和长度）必须大于一个最小值，该值是由光刻和工艺的水平决定的。比如，若矩形多晶硅连线的宽度太窄，那么由于制造偏差的影响，可能导致多晶硅的断开。2．最小间距：在同一层掩模板上，各图形之间的间隔必须大于最小间距，比如，两条多晶硅连线之间间隔太小，就可能造成短路；在某些情况下，不同层的掩模图形的间隔也必须大于最小间距，比如，一条多晶硅连线靠近晶体管的源或漏区时，此时必须要有一最小间距来保证包围晶体管的注入区与该多晶硅连线不会发生交叠。3．最小包围：有时候，某些层次的掩模板是必须做在另一些层次的掩模板里面的，比如，一些器件必须做在N阱里面，这时，N阱在环绕器件时就应有足够的余量，以确保即使在出现制造偏差时，器件部分始终在N阱里面。4．最小延伸：有些图形在其它图形的边缘外还应至少延长一个最小长度，以确保一些边缘区能正常工作。在设计一个版图时，需要定义好几个版图层次，只有每个版图层次都符合设计规则，整个版图才能符合设计规则。图-1.5为多晶硅层需要满足的设计规则，当然设计规则是随着厂家的不同而不同的，我