Projeto de circuito integrado

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Visualização do layout de um Amplificador Operacional CMOS simples (as entradas estão à esquerda e o capacitor de compensação à direita). A camada de metal é de cor azul, verde e marrom são Si dopados com N e P, o polissilício é vermelho e as vias são cruzadas.
Engenheiro usando uma estação de trabalho de projeto de IC inicial para analisar uma seção de um projeto de circuito cortado em rubilito , por volta de 1979

Projeto de circuito integrado , ou projeto de IC , é um subcampo da engenharia eletrônica , abrangendo a lógica específica e técnicas de projeto de circuito necessárias para projetar circuitos integrados , ou ICs. CIs consistem em componentes eletrônicos miniaturizados embutidos em uma rede elétrica em um substrato semicondutor monolítico por fotolitografia .

O projeto de IC pode ser dividido nas amplas categorias de projeto de IC digital e analógico . O projeto de IC digital é para produzir componentes como microprocessadores , FPGAs , memórias ( RAM , ROM e flash ) e ASICs digitais . O design digital se concentra na correção lógica, maximizando a densidade do circuito e colocando os circuitos de modo que os sinais de relógio e tempo sejam roteados de forma eficiente. O projeto de IC analógico também possui especializações em projeto de IC de potência e projeto de IC de RF . O design analógico do IC é usado no design de amplificadores operacionais , reguladores lineares , loops de bloqueio de fase ,osciladores e filtros ativos . O design analógico está mais preocupado com a física dos dispositivos semicondutores, como ganho, correspondência, dissipação de energia e resistência. A fidelidade da amplificação e filtragem do sinal analógico é geralmente crítica e, como resultado, os ICs analógicos usam dispositivos ativos de área maior do que os projetos digitais e geralmente são menos densos em circuitos.

CIs modernos são extremamente complicados. Um chip de computador desktop médio, a partir de 2015, tem mais de 1 bilhão de transistores. As regras para o que pode e o que não pode ser fabricado também são extremamente complexas. Os processos comuns de IC de 2015 têm mais de 500 regras. Além disso, como o processo de fabricação em si não é completamente previsível, os projetistas devem levar em conta sua natureza estatística . A complexidade do projeto de IC moderno, bem como a pressão do mercado para produzir projetos rapidamente, levou ao uso extensivo de ferramentas de projeto automatizadas no processo de projeto de IC. Em suma, o projeto de um CI usando software EDA é o projeto, teste e verificação das instruções que o CI deve realizar.

Fundamentos [ editar ]

O projeto de circuitos integrados envolve a criação de componentes eletrônicos, como transistores , resistores , capacitores e a interconexão desses componentes em um pedaço de semicondutor, tipicamente silício . É necessário um método para isolar os componentes individuais formados no substrato , uma vez que o silício do substrato é condutor e muitas vezes forma uma região ativa dos componentes individuais. Os dois métodos comuns são o isolamento da junção pn e o isolamento dielétrico . Atenção deve ser dada à dissipação de energia dos transistores e resistências de interconexão e densidade de corrente da interconexão, contatos e viasjá que os ICs contêm dispositivos muito pequenos em comparação com componentes discretos, onde tais preocupações são menos problemáticas. A eletromigração na interconexão metálica e os danos ESD aos componentes minúsculos também são motivo de preocupação. Finalmente, o layout físico de certos subblocos de circuito é tipicamente crítico, a fim de atingir a velocidade desejada de operação, separar as partes ruidosas de um IC das partes silenciosas, equilibrar os efeitos da geração de calor no IC ou facilitar a colocação de conexões para circuitos fora do IC.

Fluxo de design [ editar ]

Principais etapas no fluxo de projeto de IC

Um ciclo típico de projeto de IC envolve várias etapas:

  1. Especificação do sistema
    1. Estudo de viabilidade e estimativa do tamanho do molde
    2. Análise de função
  2. Projeto Arquitetônico ou de Nível de Sistema
  3. Projeto Lógico
    1. Design analógico, simulação e layout
    2. Design Digital e Simulação
    3. Simulação e verificação do sistema
  4. Projeto de Circuito
    1. Síntese de design digital
    2. Design para teste e geração automática de padrões de teste
    3. Projeto para fabricação (IC)
  5. Projeto Físico
    1. Planta baixa
    2. Local e Rota
    3. Extração Parasitária
  6. Verificação física e aprovação
    1. Tempo estático
    2. Co-simulação e temporização
  7. Preparação de dados de máscara (Pós-processamento de layout)
    1. Acabamento de chip com Tape out
    2. Layout do retículo
    3. Preparação de layout para máscara
  8. Fabricação de wafer
  9. Embalagem
  10. Teste de matriz
    1. Validação e integração pós-silício
    2. Caracterização do dispositivo
    3. Ajuste (se necessário)
  11. Implantação de Chip
    1. Geração de folha de dados (geralmente um arquivo Portable Document Format (PDF))
    2. Construir
    3. Produção
    4. Análise de Rendimento / Confiabilidade da Análise de Garantia (semicondutor)
    5. Análise de falhas em quaisquer devoluções
    6. Planeje o chip de próxima geração usando informações de produção, se possível

Resumo [ editar ]

Grosso modo, o design digital do IC pode ser dividido em três partes.

Observe que a segunda etapa, design RTL, é responsável pelo chip fazer a coisa certa. A terceira etapa, design físico, não afeta a funcionalidade (se feita corretamente), mas determina a rapidez com que o chip opera e quanto custa.

Ciclo de vida do projeto [ editar ]

O processo de desenvolvimento de circuitos integrados (CI) começa com a definição dos requisitos do produto, avança pela definição da arquitetura, implementação, criação e, finalmente, produção. As várias fases do processo de desenvolvimento de circuitos integrados são descritas abaixo. Embora as fases sejam apresentadas aqui de maneira direta, na realidade há iteração e essas etapas podem ocorrer várias vezes.

Requisitos [ editar ]

Antes que uma arquitetura possa ser definida, alguns objetivos de produto de alto nível devem ser definidos. Os requisitos geralmente são gerados por uma equipe multifuncional que aborda oportunidades de mercado , necessidades do cliente, viabilidade e muito mais. Esta fase deve resultar em um documento de requisitos do produto .

Arquitetura [ editar ]

A arquitetura define a estrutura fundamental, objetivos e princípios do produto. Define conceitos de alto nível e a proposta de valor intrínseca do produto. As equipes de arquitetura levam em consideração muitas variáveis ​​e fazem interface com muitos grupos. As pessoas que criam a arquitetura geralmente têm uma experiência significativa em lidar com sistemas na área para a qual a arquitetura está sendo criada. O produto de trabalho da fase de arquitetura é uma especificação de arquitetura .

Microarquitetura [ editar ]

A microarquitetura está um passo mais perto do hardware. Ele implementa a arquitetura e define mecanismos e estruturas específicos para alcançar essa implementação. O resultado da fase de microarquitetura é uma especificação de microarquitetura que descreve os métodos usados ​​para implementar a arquitetura.

Implementação [ editar ]

Na fase de implementação, o próprio projeto é criado usando a especificação microarquitetônica como ponto de partida. Isso envolve definição e particionamento de baixo nível, escrita de código , entrada de esquemas e verificação. Esta fase termina com um desenho que atinge o tapeout .

Trazer [ editar ]

Depois que um projeto é criado, gravado e fabricado, o hardware real, o 'primeiro silício', é recebido, que é levado ao laboratório, onde passa por criação . Bringup é o processo de alimentar, testar e caracterizar o projeto no laboratório. Inúmeros testes são realizados a partir de testes muito simples, como garantir que o dispositivo seja ligado, até testes muito mais complicados que tentam estressar a peça de várias maneiras. O resultado da fase de abertura é a documentação dos dados de caracterização (o desempenho da peça de acordo com as especificações) e errata (comportamento inesperado).

Produção [ editar ]

A produtização é a tarefa de levar um projeto da engenharia para a fabricação de produção em massa. Embora um projeto possa ter atendido com sucesso as especificações do produto no laboratório durante a fase inicial, há muitos desafios que os engenheiros de produto enfrentam ao tentar produzir esses projetos em massa. O IC deve ser aumentado para volumes de produção com um rendimento aceitável. O objetivo da fase de produção é atingir volumes de produção em massa a um custo aceitável.

Sustentação [ editar ]

Uma vez que um projeto esteja maduro e tenha atingido a produção em massa, ele deve ser sustentado. O processo deve ser continuamente monitorado e os problemas tratados rapidamente para evitar um impacto significativo nos volumes de produção. O objetivo da sustentação é manter os volumes de produção e reduzir continuamente os custos até que o produto chegue ao fim da vida útil .

Processo de design [ editar ]

Microarquitetura e design em nível de sistema [ editar ]

O processo inicial de design do chip começa com o design no nível do sistema e o planejamento da microarquitetura. Nas empresas de design de IC, a gerência e, muitas vezes, a análise elaboram uma proposta para uma equipe de design iniciar o design de um novo chip para se encaixar em um segmento da indústria. Os designers de nível superior se reunirão nesta fase para decidir como o chip funcionará funcionalmente. Esta etapa é onde a funcionalidade e o design de um IC são decididos. Os designers de IC mapeiam os requisitos funcionais, os testbenches de verificação e as metodologias de teste para todo o projeto e, em seguida, transformam o projeto preliminar em uma especificação de nível de sistema que pode ser simulada com modelos simples usando linguagens como C++ e MATLAB e ferramentas de emulação. Para projetos puros e novos, o estágio de projeto do sistema é onde um conjunto de instruçõese a operação é planejada e, na maioria dos chips, os conjuntos de instruções existentes são modificados para novas funcionalidades. Design nesta fase é muitas vezes declarações como codifica no formato MP3 ou implementa aritmética de ponto flutuante IEEE . Em estágios posteriores do processo de design, cada uma dessas declarações de aparência inocente se expande para centenas de páginas de documentação textual.

Projeto RTL [ editar ]

Após o acordo de um projeto de sistema, os designers de RTL implementam os modelos funcionais em uma linguagem de descrição de hardware como Verilog , SystemVerilog ou VHDL . Usando componentes de design digital como somadores, shifters e máquinas de estado, bem como conceitos de arquitetura de computador como pipelining, execução superescalar e previsão de ramificação , os designers de RTL quebrarão uma descrição funcional em modelos de hardware de componentes no chip trabalhando juntos. Cada uma das instruções simples descritas no projeto do sistema pode facilmente se transformar em milhares de linhas de código RTL , e é por isso que é extremamente difícil verificar se o RTL fará a coisa certa em todos os casos possíveis que o usuário possa lançar nele .

Para reduzir o número de bugs de funcionalidade, um grupo de verificação de hardware separado levará o RTL e projetará testbenches e sistemas para verificar se o RTL realmente está executando as mesmas etapas sob muitas condições diferentes, classificadas como domínio de verificação funcional . Muitas técnicas são usadas, nenhuma delas perfeita, mas todas úteis – simulação lógica extensiva , métodos formais , emulação de hardware , verificação de código tipo lint , cobertura de código e assim por diante.

Um pequeno erro aqui pode tornar o chip inteiro inútil ou pior. O famoso bug do Pentium FDIV fazia com que os resultados de uma divisão estivessem errados em no máximo 61 partes por milhão, em casos que ocorriam com pouca frequência. Ninguém percebeu até que o chip estivesse em produção por meses. No entanto, a Intel foi forçada a se oferecer para substituir, gratuitamente, todos os chips vendidos até que pudessem corrigir o bug, a um custo de US$ 475 milhões (EUA). [ citação necessária ]

Projeto físico [ editar ]

Etapas de projeto físico dentro do fluxo de projeto digital

O RTL é apenas um modelo comportamental da funcionalidade real sob a qual o chip deve operar. Ele não tem ligação com um aspecto físico de como o chip operaria na vida real no lado de materiais, física e engenharia elétrica. Por esta razão, o próximo passo no processo de projeto do IC, estágio de projeto físico , é mapear o RTL em representações geométricas reais de todos os dispositivos eletrônicos, como capacitores, resistores, portas lógicas e transistores que irão no chip.

As principais etapas do projeto físico estão listadas abaixo. Na prática, não há uma progressão direta - é necessária uma iteração considerável para garantir que todos os objetivos sejam atendidos simultaneamente. Este é um problema difícil por si só, chamado encerramento de projeto .

Projeto analógico [ editar ]

Antes do advento do microprocessador e das ferramentas de projeto baseadas em software, os CIs analógicos eram projetados usando cálculos manuais e peças do kit de processo. Esses CIs eram circuitos de baixa complexidade, por exemplo, amplificadores operacionais , geralmente envolvendo não mais que dez transistores e poucas conexões. Um processo iterativo de tentativa e erro e "superengenharia" do tamanho do dispositivo eram muitas vezes necessários para obter um IC fabricável. A reutilização de projetos comprovados permitiu que CIs progressivamente mais complicados fossem construídos com base no conhecimento prévio. Quando o processamento computacional de baixo custo se tornou disponível na década de 1970, programas de computador foram escritos para simular projetos de circuitos com maior precisão do que o cálculo manual. O primeiro simulador de circuito para ICs analógicos foi chamado SPICE(Programa de Simulação com Ênfase em Circuitos Integrados). As ferramentas de simulação de circuitos computadorizados permitem uma maior complexidade de projeto de IC do que os cálculos manuais podem alcançar, tornando prático o projeto de ASICs analógicos.

Como muitas restrições funcionais devem ser consideradas no design analógico, o design manual ainda é difundido hoje. Como resultado, os fluxos de projeto modernos para circuitos analógicos são caracterizados por dois estilos de projeto diferentes – de cima para baixo e de baixo para cima. [2] O estilo de design top-down faz uso de ferramentas baseadas em otimização semelhantes aos fluxos digitais convencionais. Os procedimentos bottom-up reutilizam o “conhecimento especializado” com o resultado de soluções previamente concebidas e capturadas em uma descrição processual, imitando a decisão de um especialista. [2] Um exemplo são os geradores de células, como os PCells .

Lidando com a variabilidade [ editar ]

Um desafio mais crítico para o projeto de IC analógico envolve a variabilidade dos dispositivos individuais construídos no chip semicondutor. Ao contrário do projeto de circuito em nível de placa, que permite ao projetista selecionar dispositivos que foram testados e agrupados de acordo com o valor, os valores do dispositivo em um IC podem variar amplamente, o que não pode ser controlado pelo projetista. Por exemplo, alguns resistores IC podem variar ± 20% e β de um BJT integrado pode variar de 20 a 100. Nos processos CMOS mais recentes, β de transistores PNP verticais pode até ficar abaixo de 1. Para adicionar ao desafio do projeto, as propriedades do dispositivo muitas vezes variam entre cada wafer semicondutor processado. As propriedades do dispositivo podem variar significativamente em cada IC individual devido a gradientes de dopagem. A causa subjacente dessa variabilidade é que muitos dispositivos semicondutores são altamente sensíveis a variações aleatórias incontroláveis ​​no processo. Pequenas alterações na quantidade de tempo de difusão, níveis de dopagem irregulares, etc. podem ter grandes efeitos nas propriedades do dispositivo.

Algumas técnicas de projeto utilizadas para reduzir os efeitos da variação do dispositivo são: [3]

  • Usando as proporções dos resistores, que correspondem de perto, em vez do valor absoluto do resistor.
  • Usando dispositivos com formas geométricas correspondentes para que tenham variações correspondentes.
  • Tornar os dispositivos grandes para que as variações estatísticas se tornem uma fração insignificante da propriedade geral do dispositivo.
  • Segmentação de grandes dispositivos, como resistores, em partes e entrelaçando-as para cancelar variações.
  • Usando o layout de dispositivo centroide comum para cancelar variações em dispositivos que devem corresponder de perto (como o par diferencial do transistor de um amplificador operacional ).

Fornecedores [ editar ]

As três maiores empresas que vendem ferramentas de automação de design eletrônico são Synopsys , Cadence e Mentor Graphics . [4]

Veja também [ editar ]

Referências [ editar ]

  1. ^ J. Lienig, J. Scheible (2020). "Cap. 3.3: Dados de máscara: Pós-processamento de layout". Fundamentos do Projeto de Layout de Circuitos Eletrônicos . Springer. págs. 102-110. doi : 10.1007/978-3-030-39284-0 . ISBN 978-3-030-39284-0. S2CID  215840278 .
  2. ^ a b J. Lienig, J. Scheible (2020). "Cap. 4.6: Fluxos de Design Analógico e Digital". Fundamentos do Projeto de Layout de Circuitos Eletrônicos . Springer. págs. 151-159. doi : 10.1007/978-3-030-39284-0 . ISBN 978-3-030-39284-0. S2CID  215840278 .
  3. ^ Basu, Joydeep (2019-10-09). "Do projeto à fita-out na tecnologia de fabricação de circuitos integrados SCL 180 nm CMOS". Revista de Educação do IETE . 60 (2): 51–64. arXiv : 1908.10674 . doi : 10.1080/09747338.2019.1657787 . S2CID 201657819 . 
  4. ^ "Desenvolvimentos de modelos Multi-CAD" (PDF) . Tendências do Mercado IC CAD 2015 . 2015-07-11.

Leitura adicional [ editar ]