物理学前沿讲座现代电子技术的现状及发展趋势

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1、物理学前沿讲座物理学前沿讲座现代电子技术的现状及发展趋势 2022-8-1812022-8-182 当前社会是信息社会，信息技术目前还没有一个十分统一的定义。从广义上讲，凡是与上述诸方面相关的技术都可以叫做从广义上讲，凡是与上述诸方面相关的技术都可以叫做信息技术，通常可分为四类，即信息技术，通常可分为四类，即感测技术、通信技术、计算感测技术、通信技术、计算机技术和控制技术。机技术和控制技术。所谓感测技术，是指对信息的传感、采集技术；所谓感测技术，是指对信息的传感、采集技术；通信技术是传递信息的技术；通信技术是传递信息的技术；计算机技术是处理、存储信息的技术；计算机技术是处理、存储信息的技术；控

2、制技术则是使用与反馈信息的技术。控制技术则是使用与反馈信息的技术。一般认为，信息技术就是一般认为，信息技术就是获取、处理、传递、储存、使获取、处理、传递、储存、使用用信息的技术。信息的技术。2022-8-183 信息技术的应用性很强，因此又常被称作“3C”技术、“3A”技术等等，此外还有此外还有“3D”之说。之说。3A是指工厂自动化是指工厂自动化(Factory Automation)、办公自动化、办公自动化(Office Automation)和家庭自动化和家庭自动化(Home Automation)。3C是指通信是指通信(Communication)、计算机、计算机(Computer)、控

3、制、控制(Control)三种技术，它们的英文名称的第一个字母都是三种技术，它们的英文名称的第一个字母都是“C”，所以简称所以简称3C技术。技术。“3D”是指数字传输是指数字传输(Digital Transmission)、数字交换、数字交换(Digital Switching)、数字处理、数字处理(Digital Processing)三种数字技术。三种数字技术。2022-8-184信息技术的基本结构大致可概括为：信息技术的基本结构大致可概括为：n 计算机技术领域是核心；计算机技术领域是核心；n 电子技术是信息技术的关键支撑技术，其中包括电子技术是信息技术的关键支撑技术，其中包括微电子技术、

4、光电子技术；微电子技术、光电子技术；n 信息材料技术是基础信息技术，其中包括电子备信息材料技术是基础信息技术，其中包括电子备料以及光学材料技术；料以及光学材料技术；n 通信技术是信息技术的重要的直接组成部分。通信技术是信息技术的重要的直接组成部分。2022-8-185 电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。进入成为近代科学技术发展的一个重要标志。进入21世纪世纪，人们面临的是以微电子技术（半导体和集成电路为，人们面临的是以

5、微电子技术（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会。高科代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会。高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的发展技的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的发展。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯（。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯（信息处理、传输和交流）及文化生活等各个领域中都信息处理、传输和交流）及文化生活等各个领域中都起着巨大的作用。现在的世界，电子技术无处不在，起着巨大的作用。现在的世界，电子技术无处不在，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。1 1电子器件技术电子器件

6、技术陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院电子技术电子技术的应用的应用基本器件的两个发展阶段基本器件的两个发展阶段分立元件阶段（19051959）q真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（1959）qSSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI主要阶段概述主要阶段概述 第一代电子第一代电子 产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿 命长等特点，很快地被各国命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第

7、应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。高稳定、智能化的方向发展。分立元件阶段分立元件阶段电子管时代（19051948）q为现代技术采取了决定性步骤主要大事记主要大事

8、记19051905年年 爱因斯坦阐述相对论爱因斯坦阐述相对论E Emcmc2 219061906年年 亚历山德森研制成高频交流发电机亚历山德森研制成高频交流发电机 德福雷斯特在弗菜明二极管上加栅极，制威第一只三极管德福雷斯特在弗菜明二极管上加栅极，制威第一只三极管19121912年年 阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管19171917年年 坎贝尔研制成滤波器坎贝尔研制成滤波器19221922年年 弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机19341934年年 劳伦斯研制成回旋加速器劳伦斯研制成回旋加速器19401940年年 帕全森和洛

9、弗尔研制成电子模拟计算机帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机19471947年年 肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管；香农奠定信息论的基础肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管；香农奠定信息论的基础 真空电子管真空电子管分立元件阶段分立元件阶段晶体管时代（19481959）q宇宙空间的探索即将开始主要大事记主要大事记19471947年年 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接触型晶体管贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接触型晶体管19481948年年 贝尔实验室的香农发表信息论的论文贝尔实验室的香农发表信息论的论文 英国采用英国采用EDSAGEDSAG计算机，这是最早的一种存储程序数字

10、计算机计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机19491949年年 诺伊曼提出自动传输机的概念诺伊曼提出自动传输机的概念19501950年年 麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器19521952年年 美国爆炸第一颗氢弹美国爆炸第一颗氢弹19541954年年 贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅19571957年年 苏联发射第一颗人造地球卫星苏联发射第一颗人造地球卫星19581958年年 美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集成电路美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集成电路基本分立元件展示基本分立元件展示电

11、阻器电阻器电容器电容器线线圈圈电池电池晶体晶体管管集成电路阶段集成电路阶段时时 期期规规 模模集成度集成度（元件数）（元件数）5050年代末年代末小规模集成电路（小规模集成电路（SSISSI）1001006060年代年代中规模集成电路（中规模集成电路（MSIMSI）100010007070年代年代大规模集成电路（大规模集成电路（LSILSI）100010007070年代末年代末超大规模集成电路（超大规模集成电路（VLSIVLSI）10000100008080年代年代特大规模集成电路（特大规模集成电路（ULSIULSI）100000100000 自1958年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨

12、越了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成度平均每2年提高近3倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。1985年，1兆位ULSI的集成度达到200万个元件，器件条宽仅为1微米；1992年，16兆位的芯片集成度达到了3200万个元件，条宽减到0.5微米，而后的64兆位芯片，其条宽仅为0.3微米。陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院集成电路阶段集成电路阶段 集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLD）微控制芯片（微控制芯片（MCU）数字信号处理器（数字信号处

13、理器（DSP）大规模存储芯片（大规模存储芯片（RAM/ROM）陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，已经成为改造和拉钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，已经成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。目前，发达国家国民经济总产值增长部分的目前，发达国家国民经济总产值增长部分的65%与集成电与集成电路相关路相关,美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山。预计美国国防预算中的电子含量

14、已占据了半壁江山。预计未来未来10年内，世界集成电路销售额将以年平均年内，世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增的速度增长，长，2010年将达到年将达到60008000亿美元。亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主知识产权的集成作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主知识产权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。争的筹码和国家安全的保障。集成电路阶段集成电路阶段2022-8-1813陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院集成电路的集成度和产品性能每集成电路的集成度和

15、产品性能每18个月增加一倍。据专个月增加一倍。据专家预测家预测,今后今后20年左右年左右,集成电路技术及其产品仍将遵循这一规集成电路技术及其产品仍将遵循这一规律发展。律发展。集成电路最重要的生产过程包括：集成电路最重要的生产过程包括：n 开发开发EDA(电子设计自动化电子设计自动化)工具工具n 利用利用EDA进行集成电路设计进行集成电路设计n 根据设计结果在硅圆片上加工芯片根据设计结果在硅圆片上加工芯片(主要流程为薄膜制造、主要流程为薄膜制造、曝光和刻蚀曝光和刻蚀)n 对加工完毕的芯片进行测试对加工完毕的芯片进行测试n 为芯片进行封装为芯片进行封装n 最后经应用开发将其装备到整机系统上与最终消

16、费者见最后经应用开发将其装备到整机系统上与最终消费者见面。面。集成电路阶段集成电路阶段2022-8-1814陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院美国芯片微细加工技术目前正在从亚微米向纳米技术过渡，美国芯片微细加工技术目前正在从亚微米向纳米技术过渡，2002年年3月，月，Intel公司宣布其已采用公司宣布其已采用0.09微米工艺生产出面积仅为微米工艺生产出面积仅为1平方微米的平方微米的SRAM。超紫外光刻技术（超紫外光刻技术（EUV）被视为是保证摩尔定律今后依旧适用）被视为是保证摩尔定律今后依旧适用的法宝。的法宝。EUV技术可使半导体制造商在芯片上蚀刻电路线的等级达技

17、术可使半导体制造商在芯片上蚀刻电路线的等级达到到0.03微米。比现有制造技术所产生的芯片性能提高微米。比现有制造技术所产生的芯片性能提高100倍，存储倍，存储容量也可以达到目前的容量也可以达到目前的100倍以上。由倍以上。由Intel、IBM、摩托罗拉等公、摩托罗拉等公司所组成的企业联盟与美国三个国家实验室，一直致力司所组成的企业联盟与美国三个国家实验室，一直致力EUV的研发，的研发，投入开发经费已逾投入开发经费已逾2.5亿美元。亿美元。在各芯片厂商都以面积最小化、功能最大化作为发展方向的趋在各芯片厂商都以面积最小化、功能最大化作为发展方向的趋势中，将整个电子系统全部集成到一块单芯片之中的势中

18、，将整个电子系统全部集成到一块单芯片之中的SOC越来越呈越来越呈现出重要性。集微处理器、快闪存储器和数字信号处理器为一体的现出重要性。集微处理器、快闪存储器和数字信号处理器为一体的计算机芯片。这种高度集成的芯片将对手持计算机、移动电话和其计算机芯片。这种高度集成的芯片将对手持计算机、移动电话和其他移动设备的改进产生巨大影响。他移动设备的改进产生巨大影响。集成电路阶段集成电路阶段2022-8-1815陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院 我国集成电路产业起步于我国集成电路产业起步于20世纪世纪60年代，年代，80年代中期我国集成年代中期我国集成电路的加工水平为电路的加

19、工水平为5微米，其后，经历了微米，其后，经历了3、1、0.8、0.5、0.35微米微米的发展，目前达到了的发展，目前达到了0.18微米的水平，而当前国际水平为微米的水平，而当前国际水平为0.09微米微米（90纳米），我国与之相差约为纳米），我国与之相差约为2-3代。代。2001年全国集成电路产量为年全国集成电路产量为64亿块，销售额亿块，销售额200亿元人民币。亿元人民币。2002年年6月月,共有半导体企事业单位共有半导体企事业单位651家家,其中芯片制造厂其中芯片制造厂46家家,封装、封装、测试厂测试厂108家家,设计公司设计公司367家家,分立器件厂商分立器件厂商130家家,从业人员从业人

20、员11.5万人。万人。设计能力设计能力0.180.25微米、微米、700万门万门,制造工艺为制造工艺为8英寸、英寸、0.180.25微微米米,主流产品为主流产品为0.350.8微米。微米。与国外的主要差距：一是规模小，与国外的主要差距：一是规模小，2000年年,国内生产的芯片销售国内生产的芯片销售额仅占世界市场总额的额仅占世界市场总额的1.5%，占国内市场的，占国内市场的20%；二是档次低，；二是档次低，主流产品加工技术比国外落后两代；三是创新开发能力弱，设计、主流产品加工技术比国外落后两代；三是创新开发能力弱，设计、工艺、设备、材料、应用、市场的开发能力均不十分理想，其结果工艺、设备、材料、

21、应用、市场的开发能力均不十分理想，其结果是今天受制于人是今天受制于人,明天后劲乏力；四是人才欠缺。明天后劲乏力；四是人才欠缺。集成电路阶段集成电路阶段2022-8-1816陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院政府的策略：政府的策略：中共中央国务院关于加强技术创新，发展高中共中央国务院关于加强技术创新，发展高科技，实现产业化的决定科技，实现产业化的决定指出：指出：“突出高新技术产业领域突出高新技术产业领域的自主创新，培育新的经济增长点，在电子信息特别是集成的自主创新，培育新的经济增长点，在电子信息特别是集成电路设计与制造、网络及通信、计算机及软件、数字化电子电路设计与

22、制造、网络及通信、计算机及软件、数字化电子产品等方面，产品等方面，加强高新技术创新，形成一批拥有自主知加强高新技术创新，形成一批拥有自主知识产权、具有竞争优势的高新技术产业识产权、具有竞争优势的高新技术产业”。专家的共识：专家的共识：中国科学院、中国工程院专门成立了包括师昌中国科学院、中国工程院专门成立了包括师昌绪、王淀佐、王越、王阳元等绪、王淀佐、王越、王阳元等10位院士组成的专家咨询组。位院士组成的专家咨询组。在大量调查研究的基础上，专家们建议，我国在在大量调查研究的基础上，专家们建议，我国在“十五十五”期期间要像当年搞间要像当年搞“两弹一星两弹一星”一样，集中国家有限的人力和财一样，集中

23、国家有限的人力和财力，开发有自主知识产权的新一代微电子核心工艺技术及产力，开发有自主知识产权的新一代微电子核心工艺技术及产品。品。专家的意见和政府的策略专家的意见和政府的策略EDAEDA技术技术 电子设计技术的核心就是电子设计技术的核心就是EDAEDA技术。技术。EDAEDA是是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子电子CADCAD通用软件包，主要能辅助进行三方面通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即的设计工作，即ICIC设计、电子电路设计和设计、电子电路设计和

24、PCBPCB设计。设计。电子系统设计自动化电子系统设计自动化(ESDA)(ESDA)阶段（阶段（9090年代以后）：设计人员按照年代以后）：设计人员按照“自顶自顶向下向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（路用一片或几片专用集成电路（ASICASIC）实现，然后采用硬件描述语言）实现，然后采用硬件描述语言（HDLHDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。器件。EDAEDA技术发展的三个阶段：技术发展的

25、三个阶段：计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)(CAD)阶段（阶段（7070年代）：用计算机辅助进行年代）：用计算机辅助进行ICIC版图编辑、版图编辑、PCBPCB布局布线，取代了手工操作。布局布线，取代了手工操作。计算机辅助工程计算机辅助工程(CAE)(CAE)阶段（阶段（8080年代）：与年代）：与CADCAD相比，相比，CAECAE除了有纯粹的除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAECAE的主要功能是：

26、原理的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCBPCB后分析。后分析。ARM开发板开发板陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院集成电路发展集成电路发展目前仍以摩尔定律所揭示的规律向前发展，晶圆目前仍以摩尔定律所揭示的规律向前发展，晶圆的面积也在不断地加大，以软硬件协同设计、具有知识产权的面积也在不断地加大，以软硬件协同设计、具有知识产权的内核（的内核（IP核）复用和超深亚微米技术为支撑的系统芯片核）复用和超深亚微米技术为支撑的系统芯片(System on ChipSOC)是超大规模集成电路发展的趋势和是超

27、大规模集成电路发展的趋势和新世纪集成电路的主流。新世纪集成电路的主流。IC产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集成，直到今天基于计算机软硬件的知识集成，其目标成，直到今天基于计算机软硬件的知识集成，其目标就是将电子产品系统电路不断集成到芯片中去，力图就是将电子产品系统电路不断集成到芯片中去，力图吞噬整个产品系统。单芯片的嵌入式系统的出现，以吞噬整个产品系统。单芯片的嵌入式系统的出现，以单个芯片实现的产品系统不仅仅限于硬件系统，而是单个芯片实现的产品系统不仅仅限于硬件系统，而是一个带有柔性性能的软、硬件集合体的电子系统。一个带有柔性性能的软、硬件

28、集合体的电子系统。SoC是微电子领域是微电子领域IC设计的最终目标设计的最终目标 陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院多学科融合与渗透多学科融合与渗透陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院不同时代的设计方法学不同时代的设计方法学陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院SOC设计方法学设计方法学陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院传统的传统的ASIC设计与设计与深亚微深亚微米集成米集成电路设电路设计流程计流程比较比较发展发展SO

29、CSOC面临的主要问题面临的主要问题设计复用。是一个关键问题。设计复用。是一个关键问题。接口问题。接口问题。时序收敛问题。互连线延迟越来越突出。时序收敛问题。互连线延迟越来越突出。设计验证，最大的挑战，设计验证，最大的挑战，70%的工作量。的工作量。价格。价格。工艺兼容性问题。也是一个关键问题。工艺兼容性问题。也是一个关键问题。过细分工带来的问题。过细分工带来的问题。设计语言问题。设计语言问题。低功耗问题。低功耗问题。陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院核的分类与定义核的分类与定义SoC由各种片上功能的嵌入式核组合而成。由各种片上功能的嵌入式核组合而成。软核软核 是

30、用可综合的是用可综合的RTL描述或者通用库元件的网表形式表描述或者通用库元件的网表形式表示的可复用模块。用户须负责实际的实现和版图。示的可复用模块。用户须负责实际的实现和版图。固核固核 是指在结构和拓扑针对性能和面积通过版图规划，甚是指在结构和拓扑针对性能和面积通过版图规划，甚至可用某种工艺技术进行优化的可复用模块。它们以综合好至可用某种工艺技术进行优化的可复用模块。它们以综合好的代码或通过库元件的网表形式存在。的代码或通过库元件的网表形式存在。硬核硬核 是指在性能、功率和面积上经过优化并映射到特定工是指在性能、功率和面积上经过优化并映射到特定工艺技术的可复用模块。它们以完整的布局布线的网表和

31、诸如艺技术的可复用模块。它们以完整的布局布线的网表和诸如GDSII（一种版图数据文件格式）格式的固定版图形式存在。（一种版图数据文件格式）格式的固定版图形式存在。陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院软软核核固固核核硬硬核核可复用性可复用性可移植性可移植性灵活性灵活性较高的可预言性和性能，短的上市时间，较高的可预言性和性能，短的上市时间，较高的价格及较高的价格及IP提供商的工作量提供商的工作量陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院特定功能核B特定功能核A特定功能核CA/D,D/APCITAPPLL胶联逻辑存储器微处理器核存储器存储器基于嵌入式

32、核的基于嵌入式核的SoC的一般结构的一般结构存储器陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院系统说明文档系统说明文档高层次算法模型高层次算法模型软软/硬件划分和任务分配硬件划分和任务分配划分模型划分模型调度模型调度模型通信模型通信模型软软/硬件接口定义硬件接口定义行为模型行为模型划分划分RTL综合综合硬件硬件-软件协同仿真软件协同仿真/检验检验创建住址模型，创建住址模型，分析与确认分析与确认软件设计要求软件设计要求用例分析用例分析子系统设计子系统设计范例设计范例设计结构设计结构设计用例设计用例设计一般的软硬件一般的软硬件设计方法学设计方法学陕西师范大学物理学与信息技术学院

33、陕西师范大学物理学与信息技术学院定义核的设计要求定义核的设计要求（功能、接口、时序）（功能、接口、时序）开发行为模型并验证开发行为模型并验证划分为子模块划分为子模块子模块的功能要求子模块的功能要求子模块子模块RTL综合综合插入可测性设计插入可测性设计子模块集成子模块集成约束条件约束条件面积面积功耗功耗速度速度子模块测试平台子模块测试平台满足满足RTL代码故障代码故障覆盖率的测试覆盖率的测试软核软核和固和固核的核的基于基于RTL综合综合的设的设计流计流程程陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院SoC设计中的问题设计中的问题移值方法学移值方法学 无网表核无网表核 与版图相

34、关的步长与版图相关的步长 宽长比例失配宽长比例失配 手绘版图手绘版图l时序问题时序问题 时钟重分配时钟重分配 硬核宽度与间距不一致硬核宽度与间距不一致 芯片多重布线导致的芯片多重布线导致的RC寄生寄生效应效应 时序重验证时序重验证 电路时序电路时序l工艺与原始材料问题工艺与原始材料问题 非工业标准工艺特性非工业标准工艺特性 N阱衬底的连接阱衬底的连接 衬底原始材料衬底原始材料 端口与目标工艺的层间差异端口与目标工艺的层间差异l其它问题其它问题 混合信号设计不可移值混合信号设计不可移值 模拟电路的精度模拟电路的精度 功耗问题功耗问题陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院

35、特征尺寸与芯片内部工作频率特征尺寸与芯片内部工作频率 陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院数字电路设计工具数字电路设计工具 分类分类 产品名产品名制造商制造商逻辑综合器、静态时序分析逻辑综合器、静态时序分析 Blast RTL美国美国MAGMAMAGMA公司公司 VHDL/Verilog-HDL Simulator（仿真（仿真工具）工具）Active-HDL美国美国AldecAldec公司公司混合语言仿真混合语言仿真 NC-sim美国美国Cadence Design Systems公司公司Verilog仿真器仿真器 Verilog-XLSystem C 仿真器仿真器

36、NC-System CVHDL仿真器仿真器 NC-VHDL 物理综合工具物理综合工具PKS超级综合工具（带有最优化配置功能）超级综合工具（带有最优化配置功能）BuildGates Extreme Verilog仿真仿真/VHDL编译器编译器VCS/Scirocco美国美国Synopsys公司公司 RTL级逻辑综合工具级逻辑综合工具DC expertVhdl/Verilog混合语法和设计规范检查混合语法和设计规范检查器器 LEDA陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院数字电路设计工具数字电路设计工具(续）续）分类分类 产品名产品名制造商制造商FPGA综合器综合器 Syn

37、plify PRO美国美国SynplicitySynplicity公司公司物理综合物理综合Amplify 测试与原型验证测试与原型验证 Certify SC VHDL/Verilog-HDL 仿真工具仿真工具ModelSim美国美国Mentor Graphics公司公司Verilog-HDL仿真工具仿真工具 TauSim美国美国Tau Simulation公司公司Hardware Accelerator ARES美国美国IKOS Systems公司公司Static Timming 解析工具解析工具 EinsTimer美国美国IBM公司公司逻辑逻辑Simulator(仿真仿真)Explore美国

38、美国Aptix公司公司Xcite美国美国Axis Systems公司公司VirtuaLogic美国美国IKOS Systems公司公司VIVACE美国美国Mentor Graphics公司公司功耗解析功耗解析/最优化工具（最优化工具（RTL）WattSmith美国美国Sente公司公司逻辑验证工具（测试向量生成）逻辑验证工具（测试向量生成）Specman Elite美国美国Verisity Design公司公司陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院数字电路设计工具（续）分类分类 产品名产品名制造商制造商CODE COVERAGE工具，状態工具，状態COVERAGE工具

39、工具 Verification Navigator/State Navigator 美国美国TransEDA公司公司Formal Verifier（等价性评价）（等价性评价）BoolesEye 美国美国IBM公司公司Tuxedo 美国美国Verplex Systems公司公司 HDL调试工具调试工具 Debussy 美国美国Novas Software公司公司 电路合成工具，行为级合成工具电路合成工具，行为级合成工具（VHDL编程）编程）BooleDozer美国美国IBM公司公司High Level电路合成工具电路合成工具 eXplorations Tools美国美国Explorations公

40、司公司RTL设计设计 TeraForm美国美国Tera Systems公司公司陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院模拟模拟/数数.模混合信号电路设计工具模混合信号电路设计工具 分类分类 产品名产品名制造商制造商模拟电路模拟电路Simulator（仿真工具）（仿真工具）T-Spice Pro 美国美国Tanner Research公司公司SmartSpice 美国美国Silvaco International公司公司 Eldo 美国美国Mentor Graphics公司公司电路图仿真电路图仿真/物理设计环境物理设计环境 COSMOSSE/LE 美国美国Synopsys

41、公司公司 数字数字/模拟混合信号仿真模拟混合信号仿真 HSPICE/NanoSim 混合信号混合信号 Simulator（仿真工具）（仿真工具）ICAP/4 美国美国intusoft公司公司 混合信号混合信号 Simulator（仿真工（仿真工具），具），RF电路电路Simulator（仿真（仿真工具），工具），Analog Macro Library ADVance，CommLib 美国美国Mentor Graphics公司公司 Static Noise 解析工具（混合信号）解析工具（混合信号）SeismIC 美国美国CadMOS Design Technology公司公司 陕西师范大学物理

42、学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院模拟/数.模混合信号电路设计工具（续）分类分类 产品名产品名制造商制造商原理图输入原理图输入 Orcad Capture CIS,美国美国Cadence Design Systems公司公司 Concept HDL Capture CIS,原理图仿真原理图仿真 Pspice NC Desktop 分类分类 产品名产品名制造商制造商Hard/Soft协调设计工具协调设计工具 Cierto VCC Environment 美国美国Cadence Design Systems公司公司 ArchGen 美国美国CAE Plus公司公司 eArchitec

43、t 美国美国Viewlogic Systems公司公司 Hard/Soft协调验证工具协调验证工具 SeamlessCVE美国美国Mentor Graphics公司公司 Hard/Soft协调设计工具 陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院LSI Layout设计工具 分类分类 产品名产品名制造商制造商寄生电容寄生电容/阻抗提取工具阻抗提取工具 DISCOVERY美国美国Silvaco International公司公司 IC IC 版图设计版图设计MyChip StationTM V6.4美国美国MyCAD公司公司寄生电容寄生电容/寄生阻抗提取工具，寄生阻抗提取工具

44、，延迟计算工具延迟计算工具 SWIM/InterCal美国美国Aspec Technology公司公司寄生电容寄生电容/阻抗提取工具，回路阻抗提取工具，回路Simulator（仿真工具），（仿真工具），Layout变换工具变换工具 Spicelink，Ansoftlinks 美国美国Ansoft公司公司 物理版图编辑器物理版图编辑器Virtuoso-XL Layout Editor美国美国Cadence Design Systems公司公司交互式物理版图验证工具交互式物理版图验证工具Diva美国美国Silvaco International公司公司 信号完整性时序分析工具信号完整性时序分析工具

45、SignalStorm美国美国MyCAD公司公司陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院LSI Layout设计工具（续）分类分类 产品名产品名制造商制造商Model GeneratorCLASSIC-SC美国美国Cadabra Design Automation公司公司 Layout设计工具（带有电路合成功能设计工具（带有电路合成功能）Blast Fusion 美国美国Magma公司公司 Layout设计工具设计工具 DOLPHIN 美国美国Monterey Design SystemsMonterey Design Systems公司公司L-Edit Pro 美国美

46、国Monterey Design Systems公司公司MyChip Station 美国美国Tanner Research公司公司CELEBRITY,Expert 美国美国MyCAD公司公司 相位相位Shift MaskShift Mask设计工具，设计工具，OPCOPC设计工设计工具，具，Mask Mask 测试工具测试工具 iN-Phase/TROPiC/CheckIt 美国美国Silvaco International公司公司版图寄生参数提取工具版图寄生参数提取工具 Star-RC 美国美国Avanti公司公司 逻辑仿真与版图设计逻辑仿真与版图设计 熊猫系统熊猫系统2000中国华大中国

47、华大陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院测试工具 分类分类 产品名产品名制造商制造商Test-Pattern 变换工具变换工具 TDS iBlidge/SimValidator 美国美国Fluence Technology公司公司 Test 设计工具设计工具 TestBench 美国美国IBM公司公司 TDX 美国美国Fluence Technology公司公司 Test 解析工具（混合信号）解析工具（混合信号）Test Designer美国美国intusoft公司公司陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院印刷电路版设计工具分类分类 产品名

48、产品名制造商制造商高速高速PCB设计与验证设计与验证 SPECCTRAQuest美国美国Cadence Design Systems公司公司 PCB设计用自动配置设计用自动配置,配线工具配线工具 AllegroSPECCTRA PCB设计设计 Orcad LayoutPCB用温度解析工具用温度解析工具 PCB Thermal美国美国Ansoft公司公司面向焊接的面向焊接的PCB用温度解析工具用温度解析工具 PCB SolderSim 美国美国Ansoft公司公司PCB用振动用振动 疲劳解析工具疲劳解析工具 PCB Vibration Plus/PCB Fatigue美国美国Ansoft公司公司

49、PCB/MCM用寄生电容用寄生电容/阻抗提取阻抗提取工具，回路工具，回路Simulator（仿真工（仿真工具）具）PCB/MCM Signal Integrity 美国美国Ansoft公司公司陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院印刷电路版设计工具（续）分类分类 产品名产品名制造商制造商封装封装(Package)设计工具设计工具 Advanced Packaging Designer/Ensemble美国美国Cadence Design Systems公司公司封装封装(Package)用温度解析工用温度解析工具具Hybrid Thermal美国美国Ansoft公司公司

50、封装封装(Package)用寄生电容用寄生电容/寄寄生阻抗提取工具生阻抗提取工具 Turbo P a c k a g e Analyzer美国美国Ansoft公司公司PCB设计工具设计工具 ePlanner美国美国Viewlogic Systems公公司司陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院其它工具分类分类 产品名产品名制造商制造商AC/DC设计设计 解析工具解析工具 MotorExpert 韓国韓国jasontech公司公司工艺工艺 Simulator（仿真工具）（仿真工具）ATHENA美国美国Silvaco International公司公司器件器件 Simul

51、ator（仿真工具）（仿真工具）ATLAS美国美国Silvaco International公司公司 器件模拟工具器件模拟工具工艺模拟工具工艺模拟工具 Medici,Davinci,TSUPREM 美国美国Avanti公司公司 射频与微波设计射频与微波设计ADS美国美国Agilent公司公司信号处理系统级设计工具信号处理系统级设计工具 SPW4.8美国美国Cadence Design Systems公司公司数字信号处理和通信产品的系统数字信号处理和通信产品的系统级设计工具级设计工具 Matlab/Simulink美国美国Mathworks公司公司(代理：九代理：九州恒润州恒润)陕西师范大学物理

52、学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院PLD开发系统分类分类 产品名产品名制造商制造商可编程逻辑电路开发工具可编程逻辑电路开发工具 MAXPLUS 美国美国ALTERA公司公司 可编程逻辑电路（含可编程逻辑电路（含SOPC）开发工具开发工具QUARTUS可编程逻辑电路开发工具可编程逻辑电路开发工具 ISP expert/ispLEVER v3.0美国美国Lattice公司公司可编程逻辑电路开发工具可编程逻辑电路开发工具 I S E 5.2 i Foundation 美国美国Xinlinx公司公司可编程逻辑电路开发工具可编程逻辑电路开发工具 Actel Designer R1-2003

53、美国美国ACTEL公司公司陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院硬件描述语言硬件描述语言HDL的现状与发展的现状与发展 硬件描述语言硬件描述语言HDL是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。利用这种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层（从抽象到具体）利用这种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层（从抽象到具体）逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。然后，利用电子设计自动化（字系统。然后，利用电子设计自动化（EDA）工具，逐

54、层进行仿真验证，）工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表。接下去，再用专用集成电路电路网表。接下去，再用专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列或现场可编程门阵列FPGA自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体电路布线结构。自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体电路布线结构。HDL的发展至今已有的发展至今已有20多年的历史，并成功地应用于设计的各多年的历史，并成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。到个阶段：建模、仿真、验证和综合等。到20世纪世纪80年代，已

55、出现了年代，已出现了上百种硬件描述语言。上百种硬件描述语言。2020世纪世纪8080年代后期，年代后期，VHDLVHDL和和Verilog HDLVerilog HDL语言适语言适应了面向设计的多领域、多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言应了面向设计的多领域、多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言趋势和要求，先后成为趋势和要求，先后成为IEEEIEEE标准。标准。陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院几种代表性的几种代表性的HDL语言语言 1.VHDL早在早在1980年，因为美国军事工业需要描述电子系统的方法，美国年，因为美国军事工业需要描述电子系统的方法，美国国防

56、部开始进行国防部开始进行VHDL的开发。的开发。1987年，年，VHDL成为成为IEEE标准：标准：IEEE Std1076-1987。应当注意，起初。应当注意，起初VHDL只是作为系统规范的只是作为系统规范的一个标准，而不是为设计而制定的。增加了一些新的命令和属性。一个标准，而不是为设计而制定的。增加了一些新的命令和属性。1993年成为：年成为：IEEE StdIEEE Std1164-93。虽然有虽然有“VHDL是一个是一个4亿美元的错误亿美元的错误”这样的说法，但毕竟是这样的说法，但毕竟是一个国际标准，它确实比较麻烦，而且其综合库至今也没有标准化，不一个国际标准，它确实比较麻烦，而且其综

57、合库至今也没有标准化，不具有晶体管开关级的描述能力和模拟设计的描述能力。目前的看法是，具有晶体管开关级的描述能力和模拟设计的描述能力。目前的看法是，对于特大型的系统级数字电路设计，对于特大型的系统级数字电路设计，VHDL是较为合适的。是较为合适的。在底层的在底层的VHDL设计环境是由设计环境是由Verilog HDL描述的器件库支持的，描述的器件库支持的，Verilog和和VDHL的两个国际组织的两个国际组织OVI、VI正在筹划这一工作，准备成立正在筹划这一工作，准备成立专门的工作组来协调专门的工作组来协调VHDL和和Verilog HDL语言的互操作性。语言的互操作性。OVI也支也支持不需要

58、翻译，由持不需要翻译，由VHDL到到Verilog的自由表达。的自由表达。陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院2.Verilog HDLVerilog HDL是在是在1983年，由年，由GDA（GateWay Design Automation）公司的）公司的Phil Moorby首创的。首创的。Phil Moorby后来成为后来成为Verilog-XL的主要设计者和的主要设计者和Cadence公司的第一合伙人。在公司的第一合伙人。在19841985年，年，Phil Moorby设计出了第一个名为设计出了第一个名为Verilog-XL的仿真的仿真器；器；1986年，

59、他对年，他对Verilog HDL的发展又作出了另一个巨大的贡献：提的发展又作出了另一个巨大的贡献：提出了用于快速门级仿真的出了用于快速门级仿真的XL算法。算法。随着随着Verilog-XL算法的成功，算法的成功，Verilog HDL语言得到迅速发展。语言得到迅速发展。1989年，年，Cadence公司收购了公司收购了GDA公司，公司，Verilog HDL语言成为语言成为Cadence公司的私有财产。公司的私有财产。1990年，年，Cadence公司决定公开公司决定公开Verilog HDL语言，于是成立了语言，于是成立了OVI（Open Verilog International）组织，

60、负责）组织，负责促进促进Verilog HDL语言的发展。基于语言的发展。基于Verilog HDL的优越性，的优越性，IEEE于于1995年制定了年制定了Verilog HDL的的IEEE标准，即标准，即IEEE Std 1364-1995；2001年发布了年发布了IEEE Std 1364-2001标准。在这个标准中，加入了标准。在这个标准中，加入了Verilog HDL-A标准，使标准，使Verilog有了模拟设计描述的能力。有了模拟设计描述的能力。陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院3.Superlog Verilog语言的首创者语言的首创者Phil Moo

61、rby和和Peter Flake等硬件等硬件描述语言专家，在一家叫描述语言专家，在一家叫Co-Design Automation的的EDA公司公司进行合作，开始对进行合作，开始对Verilog进行扩展研究。进行扩展研究。1999年，年，Co-Design公司发布了公司发布了SUPERLOGTM系统设计语言，同时发布了系统设计语言，同时发布了两个开发工具：两个开发工具：SYSTEMSIMTM和和SYSTEMEXTM。一个用于。一个用于系统级开发，一个用于高级验证。系统级开发，一个用于高级验证。2001年，年，Co-Design公司向公司向电子产业标准化组织电子产业标准化组织Accellera发布

62、了发布了SUPERLOG扩展综合子集扩展综合子集ESS，这样它就可以在今天，这样它就可以在今天Verilog语言的语言的RTL级综合子集的基级综合子集的基础上，提供更多级别的硬件综合抽象级，为各种系统级的础上，提供更多级别的硬件综合抽象级，为各种系统级的EDA软软件工具所利用。件工具所利用。至今为止，已超过至今为止，已超过15家芯片设计公司用家芯片设计公司用Superlog来进行芯来进行芯片设计和硬件开发。片设计和硬件开发。Superlog是一种具有良好前景的系统级硬件是一种具有良好前景的系统级硬件描述语言。但是不久前，由于整个描述语言。但是不久前，由于整个IT产业的滑坡，产业的滑坡，EDA公

63、司进行公司进行大的整合，大的整合，Co-Design公司被公司被Synopsys公司兼并，形势又变得公司兼并，形势又变得扑朔迷离。扑朔迷离。陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院4.SystemC随着半导体技术的迅猛发展，随着半导体技术的迅猛发展，SoC已经成为当今集成电路已经成为当今集成电路设计的发展方向。在系统芯片的各个设计中，像系统定义、软设计的发展方向。在系统芯片的各个设计中，像系统定义、软硬件划分、设计实现等，集成电路设计界一直在考虑如何满足硬件划分、设计实现等，集成电路设计界一直在考虑如何满足SoC的设计要求，一直在寻找一种能同时实现较高层次的软件的设计要

64、求，一直在寻找一种能同时实现较高层次的软件和硬件描述的系统级设计语言。和硬件描述的系统级设计语言。SystemC正是在这种情况下，由正是在这种情况下，由Synopsys公司和公司和CoWare公司积极响应目前各方对系统级设计语言的需求而合公司积极响应目前各方对系统级设计语言的需求而合作开发的。作开发的。1999年年9月月27日，日，40多家世界著名的多家世界著名的EDA公司、公司、IP公司、半导体公司和嵌入式软件公司宣布成立公司、半导体公司和嵌入式软件公司宣布成立“开放式开放式SystemC联盟联盟”。著名公司。著名公司Cadence也于也于2001年加入了年加入了SystemC联盟。联盟。S

65、ystemC从从1999年年9月联盟建立初期的月联盟建立初期的0.9版本开始更新，从版本开始更新，从1.0版到版到1.1版，一直到版，一直到2001年年10月推出月推出了最新的了最新的2.0版。版。陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院 在在2001年举行的国际年举行的国际HDL会议上，与会者就使用何种设计语言展开会议上，与会者就使用何种设计语言展开了生动、激烈的辩论。最后，与会者投票表决：如果要启动一个芯片设计了生动、激烈的辩论。最后，与会者投票表决：如果要启动一个芯片设计项目，他们愿意选择哪种方案项目，他们愿意选择哪种方案?结果，仅有结果，仅有2票或票或3票赞成使

66、用票赞成使用SystemC、Cynlib和和C Level设计；而设计；而Superlog和和Verilog各自获得了约各自获得了约20票。至于票。至于以后会是什么情况，连会议主持人以后会是什么情况，连会议主持人John Cooley也明确表示：也明确表示：“5年后，年后，谁也不知道这个星球会发生什么事情。谁也不知道这个星球会发生什么事情。”各方人士各持己见：为各方人士各持己见：为Verilog辩护者认为，开发一种新的设计语言是辩护者认为，开发一种新的设计语言是一种浪费；为一种浪费；为SystemC辩护者认为，系统级芯片辩护者认为，系统级芯片SoC快速增长的复杂性需快速增长的复杂性需要新的设计方法；要新的设计方法；C语言的赞扬者认为，语言的赞扬者认为，Verilog是硬件设计的汇编语言，是硬件设计的汇编语言，而编程的标准很快就会是高级语言，而编程的标准很快就会是高级语言，Cynlib C+是最佳的选择，它速度快、是最佳的选择，它速度快、代码精简；代码精简；Superlog的捍卫者认为，的捍卫者认为，Superlog是是Verilog的扩展，可以在的扩展，可以在整个设计流程中仅提供一种语