集成电路设计和实现
集成电路设计涉及对电子器件(例如晶体管、电阻器、电容器等)、器件间互连线模型的建立。那么你对集成电路设计了解多少呢?以下是由学习啦小编整理关于什么是集成电路设计的内容，希望大家喜欢!
集成电路设计的介绍
所有的器件和互连线都需安置在一块半导体衬底材料之上，这些元件通过半导体器件制造工艺(例如光刻等)安置在单一的硅衬底上，从而形成电路。目前最常使用的衬底材料是硅。设计人员会使用技术手段将硅衬底上各个器件之间相互电隔离，以控制整个芯片上各个器件之间的导电性能。PN结、金属氧化物半导体场效应管等组成了集成电路器件的基础结构，而由后者构成的互补式金属氧化物半导体则凭借其低静态功耗、高集成度的优点成为数字集成电路中逻辑门的基础构造。设计人员需要考虑晶体管、互连线的能量耗散，这一点与以往由分立电子器件开始构建电路不同，这是因为集成电路的所有器件都集成在一块硅片上。金属互连线的电迁移以及静电放电对于微芯片上的器件通常有害，因此也是集成电路设计需要关注的课题。
随着集成电路的规模不断增大，其集成度已经达到深亚微米级(特征尺寸在130纳米以下)，单个芯片集成的晶体管已经接近十亿个。由于其复杂性，集成电路设计相较简单电路设计常常需要计算机辅助的设计方法学和技术手段。集成电路设计的研究范围涵盖了数字集成电路中数字逻辑的优化、网表实现，寄存器传输级硬件描述语言代码的书写，逻辑功能的验证、仿真和时序分析，电路在硬件中连线的分布，模拟集成电路中运算放大器、电子滤波器等器件在芯片中的安置和混合信号的处理。相关的研究还包括硬件设计的电子设计自动化(EDA)、计算机辅助设计(CAD)方法学等，是电机工程学和计算机工程的一个子集。
对于数字集成电路来说，设计人员现在更多的是站在高级抽象层面，即寄存器传输级甚至更高的行为级，使用硬件描述语言或高级建模语言来描述电路的逻辑、时序功能，而逻辑综合可以自动将寄存器传输级的硬件描述语言转换为逻辑门级的网表。对于简单的电路，设计人员也可以用硬件描述语言直接描述逻辑门和触发器之间的连接情况。网表经过进一步的功能验证、布局、布线，可以产生用于工业制造的版图设计文件，根据该文件来可以在硬件上实现实际的集成电路电路。模拟集成电路设计涉及了更加复杂的信号环境，对工程师的经验有更高的要求，并且其设计的自动化程度远不及数字集成电路。
逐步完成功能设计之后，设计规则会指明哪些设计符合制造要求，而哪些设计不符合，而这个规则本身也十分复杂。集成电路设计流程需要符合数百条这样的规则。在一定的设计约束下，集成电路物理版图的布局、布线对于获得理想速度、信号完整性、减少芯片面积来说至关重要。半导体器件制造的不可预测性使得集成电路设计的难度进一步提高。在集成电路设计领域，由于市场竞争的压力，电子设计自动化等相关计算机辅助设计工具得到了广泛的应用，工程师可以在计算机软件的辅助下进行设计、功能验证、静态时序分析、动态时序验证等流程。
集成电路设计的硬件实现
对于不同的设计要求，工程师可以选择在可编程逻辑器件(如现场可编程逻辑门阵列)或专用集成电路上进行硬件电路实现。根据设计的出发点及约束，可以分为全定制设计和半定制设计(使用门阵列、标准元件或宏单元等)两大类。
可编程逻辑器件
主条目：可编程逻辑器件
参见：复杂可编程逻辑器件、可编程阵列逻辑、可编程逻辑阵列、通用阵列逻辑及现场可编程逻辑门阵列
可编程逻辑器件通常由半导体厂家提供商品芯片，这些芯片可以通过JTAG等方式和计算机连接，因此设计人员可以用电子设计自动化工具来完成设计，然后将利用设计代码来对逻辑芯片编程。可编程逻辑阵列芯片在出厂前就提前定义了逻辑门构成的阵列，而逻辑门之间的连接线路则可以通过编程来控制连接与断开。随着技术的发展，对连接线的编程可以通过EPROM(利用较高压电编程、紫外线照射擦除)、EEPROM(利用电信号来多次编程和擦除)、SRAM、闪存等方式实现。现场可编程逻辑门阵列是一种特殊的可编程逻辑器件，它的物理基础是可配置逻辑单元，由查找表、可编程多路选择器、寄存器等结构组成。查找表可以用来实现逻辑函数，如三个输入端的查找表可以实现所有三变量的逻辑函数。
专用集成电路
主条目：专用集成电路
专用集成电路只能在整个集成电路设计完成之后才能开始制造，而且需要专业的半导体工厂的参与。不像可编程逻辑器件可以实现各种不同的电路，专用集成电路是根据已设计的电路版图量身定做的，设计人员对于元件在芯片上的位置和连接能够有更多的控制权，而不像可编程逻辑器件途径，只能选择使用其中部分硬件资源，从而无法避免资源浪费，因此专用集成电路的面积、功耗、时序特性可以得到更好的优化。然而，专用集成电路的设计会更加复杂，并且需要专业的半导体工艺厂家才能将版图文件制造成电路。一旦专用集成电路芯片制造完成，就不能像可编程逻辑器件那样对电路的逻辑功能进行重新配置。对于单个产品，在专用集成电路上实现集成电路的经济、时间成本都比可编程逻辑器件高，因此在早期的设计与调试过程中，常用可编程逻辑器件，尤其是现场可编程逻辑门阵列;如果所设计的集成电路将要在后期大量投产，那么批量生产专用集成电路将会更经济。
集成电路设计的设计辅助和自动化
主条目：计算机辅助设计和电子设计自动化
由于集成电路系统的复杂性，工程师往往需要借助电子设计自动化工具来进行计算机辅助设计。逻辑综合就是电子设计自动化在数字集成电路设计中最显著的体现。以往在设计小规模、中规模集成电路时，工程师设计数字集成电路需要根据逻辑功能，通过类似卡诺图这样的手工途径来优化逻辑函数，然后确定使用何种逻辑门来实现电路。而在当前超大规模集成电路，乃至更大的甚大规模集成电路的设计中，这样的工作方式不太现实。电子设计自动化工具使得工程师能够从复杂的门级设计转到功能设计，而底层的转换由自动工具完成，工程师只需要掌握如何设置这些工具工作策略的知识。硬件描述语言是集成电路设计自动化的重要基础。电子设计自动化发展十分迅速，现在已经成立了诸如设计自动化会议的一些学术论坛，定期讨论业界的发展。
完成整个集成电路设计常常涉及多个电子设计自动化工具的运用。有些公司专门从事集成电路计算机辅助设计工具套件的开发和销售，例如Synopsys、Cadence、Mentor Graphics、Agilent、Altium、Xilinx等。电子设计自动化工具的本身作为一种软件，背后依靠的是各种计算机算法。因此电子设计自动化工具的开发更加接近软件设计的范畴，其开发人员需要重点关注逻辑简化、布局布线等方面的算法实现，但是他们同样需要了解集成电路的硬件知识。
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