IC系統組成概論

2021-08-28 08:20:02 字數 1695 閱讀 1806

ic系統是什麼?

對演算法工程師來說,ic系統是完成特定功能的硬體。

對架構設計師來說,ic系統包括控制,運算,儲存部分。

電路設計工程師來說,ic系統是加法器,乘法器,與非門,運算放大器,開關電容等的搭配。

對版圖工程師來說,它是多邊形組成的組合。

乙個常見的ic系統包括:

數字部分

絕大多數數字系統都採用同步設計方法,即採用時鐘來統一協調系統各部分的執行。它由組合邏輯和時序單元(暫存器和鎖存器)組成,資料在時序單元-組合邏輯-時序單元這種結構間一級級的傳遞下去。通常可以將數字部分大致分為資料通路部分與控制部分。資料通路部分是指乘法器,加法器,有限響應衝擊濾波器(fir)等規則的運算單元,控制部分是指控制管理資料流通的邏輯。

模擬部分

• 模數轉換adc

• 數模轉換dac

• 可程式設計增益放大器pga

• 鎖相環pll

i/o部分

i/o是ic系統與外部環境的介面。foundry提供的綜合庫中,通常包括三類pad單元:輸入pad,輸出pad,雙向pad。在設計中,可以將這些pad看作是標準單元,直接例化就可以了。

儲存器

儲存器對整個晶元設計至關重要:

• 高速ic設計中,儲存器的頻寬已經成為效能瓶頸

• 儲存器佔整個晶元70%以上的面積

• 儲存器消耗了晶元的大部分功耗

我們在實際設計中一般是無需自己設計儲存器,只需根據需要(深度,速度,面積,功耗等)使用memory compiler直接生成,將別人提供的儲存器單元拼接起來即可。在使用儲存器的時候,需要注意介面時序是否滿足要求。(例如我在2d/gpu的設計當中,都是按照要求直接用memory compier來生成各種sram)

連線

連線包括晶元的訊號連線,電源線和時鐘線。

• 在深亞微公尺設計中,不能將連線簡單地看作是理想的連線,金屬連線具有電容、電阻和電感效應。這些寄生效應會影響訊號的完整性,而訊號完整性和時序收斂問題是緊密聯絡的。通常,串擾會使時序更為惡化,更難以收斂。

連線的電容寄生效應會引起訊號線的耦合,從而引起串擾(cross talk),串擾會影響時序,引起setup/hold violation,也可能會影響功能,導致晶元無法正常工作。

連線的電阻寄生效應會導致顯著的電壓降,從而影響訊號電平。在乙個ic系統中,是通過電源網路來供電的,乙個數字系統要能正常工作,必須要為它的邏輯單元提供穩定的直流電壓,並且這個電壓的起伏要盡可能小。隨著晶元規模的增加,晶元內部的電流越來越大,要滿足電壓穩定也越來越困難。加寬導線可以降低電阻,從而減小壓降,並且會增加允許通過的峰值電流,但也會占用過多的面積。

如果連線過長或者電路速度極高,則導致電線的電感效應變的顯著。電感效應很難處理,不過幸好目前大多數的設計中電感效應都很小,可以忽略不計。

• 連線還會導致設計時序難以收斂。

logic synthesis的時候無法知道具體的連線資訊,經常採用wireload model來估計連線延遲。這種模型並不準確,所以會導致p&r之後時序難以收斂,從而進化出physical synthesis的技術。

至於什麼是physical synthesis,以及它與logic synthesis的區別,我會在以後的博文中加以講解。

參考資料

《ic設計基礎》

IC系統組成概論

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