Podręcznik

Dla wygody poniżej powtórzony jest rysunek 3-1 ilustrujący kolejne etapy projektowania.

Rysunek 3 2. Poziomy abstrakcji projektu układu scalonego, narzędzia do projektowania i weryfikacji projektu oraz przepływ informacji w procesie projektowania (powtórzony rysunek 3-1)

Dla układu cyfrowego można wyróżnić następujące etapy projektowania układu 

• określenie funkcji układu,
• projekt architektury układu (czyli schematu złożonego z bloków funkcjonalnych),
• projekt logiczny (czyli schematu złożonego z bramek logicznych),
• projekt elektryczny (czyli schematu złożonego z tranzystorów),
• projekt struktury fizycznej układu (topografii układu, czyli projektu elementów, ich rozmieszczenia oraz połączeń między nimi).

W przypadku układów analogowych nie ma oczywiście etapu tworzenia projektu logicznego. Projektowanie rozpoczyna się od zdefiniowania projektu elektrycznego.

Na każdym etapie projektowania dostępne są programy komputerowe wspomagające proces projektowania oraz programy służące do weryfikacji projektu na danym etapie. Wszystkie te programy tworzą zintegrowany system i są powiązane ze sobą poprzez wspólne formaty danych. Istotną częścią składową systemu projektowania są specjalizowane programy do wprowadzania danych: edytory graficzne do graficznego definiowania schematów elektrycznych i logicznych oraz do „rysowania” topografii układu. Potrzebny jest też edytor tekstów do wprowadzania opisów w językach opisu sprzętu i ewentualnie innych informacji tekstowych. 

Omówimy teraz krótko poszczególne etapy powstawania projektu. 

Definicja funkcji układu
Na tym etapie określa się funkcję wykonywaną przez układ. Jak uczy wieloletnie doświadczenie, na tym, pozornie oczywistym, etapie projektowania popełniane są bardzo często błędy prowadzące do niepowodzenia całego procesu projektowania. Funkcja układu może być zdefiniowana w sposób niekompletny lub wewnętrznie sprzeczny. Zdarza się też, że definicja funkcji układu jest kompletna i spójna, ale nie oddaje dokładnie intencji projektanta lub użytkownika układu, który zamawia projekt i będzie potem wykorzystywać układ. Aby uniknąć takich sytuacji, opracowano specjalne języki, zwane językami opisu sprzętu. Miały one początkowo jedynie uporządkować i sformalizować proces definiowania funkcji układu, pomóc w sprawdzeniu jego kompletności i wewnętrznej spójności. Obecnie pełnią bardzo ważną rolę jako języki wejściowe w systemach zautomatyzowanego projektowania. Będzie o nich mowa dalej.

Projekt architektury układu
Na tym etapie tworzy się projekt układu w postaci powiązanych ze sobą bloków funkcjonalnych o zdefiniowanych funkcjach oraz definiuje się powiązania między blokami i przepływy danych między nimi. Projekt ten można wykonać „ręcznie” i wprowadzić w postaci graficznej lub w postaci opisu tekstowego w języku opisu sprzętu (ta druga możliwość nie jest pokazana na rysunku 3-2). Projekt architektury układu w przypadku układów dużych o złożonych funkcjach ma z reguły budowę hierarchiczną. Cały układ zbudowany jest z niewielkiej liczby dużych bloków funkcjonalnych, każdy z tych bloków ma z kolei swoją wewnętrzną architekturę złożoną z mniejszych bloków o prostszych funkcjach itp. Takich poziomów hierarchii może być wiele. Hierarchiczna budowa układu umożliwia zapanowanie nad całym projektem przez podzielenie go na niewielkie fragmenty, które można projektować mniej lub bardziej niezależnie. Bez takiej strategii projektowania wykonanie dużego i złożonego projektu byłoby praktycznie niemożliwe - projektowanie układu mającego tysiące, a tym bardziej miliony elementów jako jednolitej całości jest niewykonalne.

Projekt schematu logicznego układu
Projekt schematu logicznego polega na wypełnieniu bloków funkcjonalnych schematami zbudowanymi z bramek logicznych lub prostych typowych bloków. Przejście od architektury do schematu logicznego nie jest jednak jednoznaczne, każdą funkcję logiczną można zrealizować na wiele różnych sposobów. Tę fazę projektu można wykonać „ręcznie” i opracowany schemat wprowadzić w postaci graficznej lub w postaci tekstowego opisu w języku opisu sprzętu (ta druga możliwość nie jest pokazana na rysunku 3-2). Projekt schematu logicznego może być też wykonany automatycznie na podstawie projektu architektury układu. 

Projekt schematu elektrycznego układu
Ten etap polega na określeniu schematów elektrycznych bramek i bloków występujących w schemacie logicznym. Jeżeli wykorzystuje się typowe, standardowe sposoby realizacji bramek kombinacyjnych, przerzutników itp., to ich schematy elektryczne są znane, a przejście od schematu logicznego do elektrycznego jest niemal automatyczne (i może być zautomatyzowane). W tym etapie określa się jednak także parametry elementów (w przypadku układu CMOS oznacza to określenie wymiarów kanałów tranzystorów MOS). Jeżeli układ ma spełniać wysokie wymagania techniczne (np. szybkość działania), to określenie najlepszych wymiarów tranzystorów jest niełatwe (i nie poddaje się łatwo automatyzacji). W większości przypadków korzysta się jednak z biblioteki standardowych bramek wcześniej zaprojektowanych, sprawdzonych i scharakteryzowanych dla danej technologii produkcji układów. Taką bibliotekę dostarcza producent układów.

Niekiedy wyśrubowane wymagania techniczne zmuszają do użycia niestandardowych rozwiązań bramek logicznych (np. układy zwane logiką dynamiczną; będzie o nich mowa dalej). Wtedy przekształcanie schematu logicznego w elektryczny jest twórczym i często niełatwym zadaniem dla projektanta.

W przypadku projektowania układu analogowego projekt schematu elektrycznego rozpoczyna cały proces projektowania. Nie ma, jak dotąd, ogólnych metod syntezy układów analogowych na podstawie ich opisów funkcjonalnych. Schemat układu analogowego musi być więc opracowany przez projektanta. Istnieją dziś rozszerzenia języków opisu sprzętu pozwalające opisywać nie tylko układy cyfrowe, ale i analogowe. 

Projekt topografii układu
To jest etap, w którym powstaje projekt fizycznej struktury układu. Przy projektowaniu „ręcznym” wszystkie elementy są „rysowane” przy pomocy specjalizowanego edytora graficznego przez projektanta, który również określa ich położenie i „rysuje” schemat połączeń (jest to sposób projektowania topografii wspomniany w wcześniej jako projektowanie w stylu full custom). Ten sposób projektowania daje największe możliwości optymalizacji topografii układu pod względem zajmowanej powierzchni, długości połączeń i innych kryteriów. Jest jednak nadzwyczaj pracochłonny i podatny na omyłki. W praktyce jest stosowany w projektowaniu układów analogowych, a w przypadku układów cyfrowych wykorzystuje się go do projektowania bramek i małych bloków, które następnie są wykorzystywane jako komórki standardowe (będzie o tym mowa dalej). Projektowanie w taki sposób nie poddaje się automatyzacji, istnieją natomiast inne metody projektowania struktury fizycznej układu umożliwiające automatyczną syntezę topografii – o nich dalej.

Końcowym rezultatem procesu projektowania jest opis masek fotolitograficznych definiujących strukturę fizyczną układu. Opis ten otrzymuje się w jednym z dwóch standardowych języków: CIF lub GDSII. Opis w języku CIF ma postać pliku tekstowego możliwego do analizy i interpretacji przez człowieka, natomiast opis w języku GDSII jest plikiem binarnym. Język GDSII jest powszechnie stosowany w przemyśle. Język CIF wychodzi obecnie z praktycznego użycia, bowiem wszystkie obiekty geometryczne są w nim opisywane na siatce o kroku równym 100 nanometrów, co nie wystarcza do opisu kształtów, jakie występują w układach o minimalnych wymiarach rzędu 100 nanometrów i poniżej.