數字集成電路

數字集成電路簡介

　　數字集成電路是將元器件和連線集成于同一半導體芯片上而制成的數字邏輯電路或系統。根據數字集成電路中包含的門電路或元、器件數量，可將數字集成電路分為小規模集成（SSI）電路、中規模集成MSI電路、大規模集成（LSI）電路、超大規模集成VLSI電路和特大規模集成（ULSI）電路。

　　數字集成電路是基于數字邏輯（布爾代數）設計和運行的，用于處理數字信號的集成電路。根據集成電路的定義，也可以將數字集成電路定義為：將元器件和連線集成于同一半導體芯片上而制成的數字邏輯電路或系統。根據數字集成電路中包含的門電路或元、器件數量，可將數字集成電路分為小規模集成（SSI）電路、中規模集成MSI電路、大規模集成（LSI）電路、超大規模集成VLSI電路、特大規模集成（ULSI）電路和巨大規模集成電路（GSI，Giga Scale Integration）。

　　小規模集成電路包含的門電路在10個以內，或元器件數不超過10個；中規模集成電路包含的門電路在10～100個之間，或元器件數在100～1000個之間；大規模集成電路包含的門電路在100個以上，或元器件數在1，000～10， 000個之間；超大規模集成電路包含的門電路在1萬個以上，或元器件數在100，000～1，000，000之間；特大規模集成電路的門電路在10萬個以上，或元器件數在1，000，000～10，000，000之間。隨著微電子工藝的進步，集成電路的規模越來越大，簡單地以集成元件數目來劃分類型已經沒有多大的意義了，目前暫時以“巨大規模集成電路”來統稱集成規模超過1億個元器件的集成電路。

數字集成電路百科

　　數字集成電路是將元器件和連線集成于同一半導體芯片上而制成的數字邏輯電路或系統。根據數字集成電路中包含的門電路或元、器件數量，可將數字集成電路分為小規模集成（SSI）電路、中規模集成MSI電路、大規模集成（LSI）電路、超大規模集成VLSI電路和特大規模集成（ULSI）電路。

　　數字集成電路是基于數字邏輯（布爾代數）設計和運行的，用于處理數字信號的集成電路。根據集成電路的定義，也可以將數字集成電路定義為：將元器件和連線集成于同一半導體芯片上而制成的數字邏輯電路或系統。根據數字集成電路中包含的門電路或元、器件數量，可將數字集成電路分為小規模集成（SSI）電路、中規模集成MSI電路、大規模集成（LSI）電路、超大規模集成VLSI電路、特大規模集成（ULSI）電路和巨大規模集成電路（GSI，Giga Scale Integration）。

　　小規模集成電路包含的門電路在10個以內，或元器件數不超過10個；中規模集成電路包含的門電路在10～100個之間，或元器件數在100～1000個之間；大規模集成電路包含的門電路在100個以上，或元器件數在1，000～10， 000個之間；超大規模集成電路包含的門電路在1萬個以上，或元器件數在100，000～1，000，000之間；特大規模集成電路的門電路在10萬個以上，或元器件數在1，000，000～10，000，000之間。隨著微電子工藝的進步，集成電路的規模越來越大，簡單地以集成元件數目來劃分類型已經沒有多大的意義了，目前暫時以“巨大規模集成電路”來統稱集成規模超過1億個元器件的集成電路。

　　內部設計

　　數字電路的組成：組合邏輯+寄存器（觸發器）。組合邏輯就是由基本門組成的函數，其輸出只會跟當前的輸入有關，在上面的例子中，第一個圖就是組合邏輯，只完成邏輯運算；而時序電路除了包含基本門之外，還包含存儲元件用例保存過去的信息，時序電路的穩態輸出不僅取決于當前的輸入，還與過去的輸入所形成狀態有關。第二個圖就是時序電路，在完成邏輯運算的同時，還可以把處理結果暫存起來，用以下一次的運算。

　　從功能上來看，數字集成電路內部可以分為數據通路（Data-path，也稱為數據路徑）和控制邏輯兩大部分。這兩大部分都是由大量的時序邏輯電路集成的，而且絕大部分都是同步的時序電路，因為時序電路被多個觸發器或寄存器分成若干節點，而這些觸發器在時鐘的控制下會按同樣的節拍來工作，可以簡化設計。在長期的設計過程中，已經積累了很多標準的通用單元，比如選擇器（也叫多路器，可以從多個輸入數據中選一個輸出）、比較器（用于比較兩個數的大?。?、加法器、乘法器、移位寄存器等等，這些單元電路形狀規則，便于集成（這也是數字電路在集成電路中得到更好的發展的原因）。這些單元按設計要求連接在一起，形成數據通路，待處理的數據從輸入端經過這條通路到輸出端，便得到處理后的結果。同時，還需要由專門設計的控制邏輯，控制數據通路的各組成部件，按各自的功能要求和特定的時序關系和來配合工作。

　　數字集成電路必讀的幾本書

　　《數字集成電路——電路、系統與設計》

　　前端要學verilog和VHDL的教材

　　數字后端有《數字集成電路物理設計》

　　verilog一般用夏宇聞的教材，也有很多人說他寫的不好，但是硬件描述語言重在使用，死學無用，找本書作參考就好。用其它教材也一樣。

　　網上流傳的英文數字集成電路公開課，有興趣和能力可以去試試。

　　數字芯片設計入門

　　數字芯片的設計，可以這樣來分類。

　　第一類是Physical Design。我原先答案中所說的第一層和第二層就是這塊的內容。

　　這塊內容的特點是什么呢？簡而言之就是你要實際的去設計物理電路，直接面對silicon wafer這張畫布去布線走線，怎么走metal1 metal2 直至metal6甚至，如何在不同層間打via。擺放你的Transistor， 你的gate，乃至你的SRAM，ALU。

　　所以你要對從Transistor Level到Gate Level乃至更高層的知識很熟悉，物理上的特性要了解。從最基礎的Transistor的各種First Order Effect，Second Order Effect。到更高level的比如SRAM，DRAM怎么個構造怎么個功能。

　　現代的數電技術必須要注重三個optimizing：area，delay，power consumption。一些工程上的經驗，比如logical effort估算，就是怎么讓pathdelay最短。對各種leakage current的掌握才能做低能耗設計。

　　第二類是 ASIC RTL design了。

　　簡單的說就是寫Verilog或VHDL code，也有用SystemC的，然后用code來描述功能。這一步叫做RTL Design。

　　RTL改到功能對了后要用Tool來Synthesis，比如Synopsis的Design Compiler。Synthesis是什么呢，就是它會生成一個與你的code設計的電路等效的電路，但它的這個是優化了的，你所有的冗余它會自動幫你修掉，你重復的路徑它會幫你刪掉。Synthesis完你的實際電路就出來了，你可以用GUI的Design Vision里面的功能來看這個電路。但是Synthesis是要依據一系列的rules來的，這個rules就是你要用一個tcl文件用tcl的語法寫出來給你的tool，你的tool在這些rules的限制下把你原先的電路optimize出來，這時候往往會有一個slack violate。什么叫slack violate呢？就是比如你設計了一個DDR，按你的rules里面要求它一個周期應該在1.5ns內，但你設計的不好，導致Design Compiler無論怎樣都沒法把最長的path縮到1.5ns內，這時候你就violate了，就得改。直到改過為止。

　　Synthesis搞定后還有Post-syn，就是把Synthesis出來的等效優化電路再重新跑一次，看看功能是不是仍然正確。否則改之。

　　最后再用軟件自動布線生成layout。

　　第三類是Verification，

　　Verification是在你的design最后流片前要做的驗證。這個非常重要，有些startup就是因為Verification沒搞好直接就破產了。要會這一類知識你要先有很好的軟件基礎，OOP比如C++，還有SystemVerilog，C 最好要會。然后去學Verification的知識，所謂OVM UVM。

　　通常一個design做出來后（就是上面的第二類全部完成后）會送去流片，但一個asic的流片往往要好幾周，甚至數月。對于公司的產品競爭來說，及時的推向市場是很關鍵的。于是我們就會先拿FPGA來做prototyping，把電路先燒到FPGA里面，當然有的時候還需要一些peripherals的配合，這些都是要學的。

　　第四類叫Testing

　　Testing是板子出來后做的測試，里面又有validation等等?，F在多用的DFT技術，怎么生成test pattern，怎么ATPG都要去學。

　　第五類可以稱之為Architecture

　　什么是Architecture，比如：

　　Processor怎么設計？怎么從single cycle CPU變為 multcycle，最終進化為pipeline，每一個stage怎么運轉的。

　　Memory體系怎么設計？Cache coherence，以及各種protocol，怎么在不同level的cache之間保證數據的正確。

　　現在處理器常用的Out of Order Execution，各種Tomasulo algorithm實現。

　　Branch Prediction： 簡言之就是處理器遇到IF了怎么判斷？各種Branch Predictor， 從簡單的基于history到TWO-LEVEL PREDICTORS，到COMBINING PREDICTORS

　　Multiprocessor技術。

　　等等。

　　Architecture最尖端的技術一直在Intel在AMD最核心的實驗室里。學校教的，哪怕是我們學校教的也不過是已經廣為接受的設計。

　　草草地寫在這里，排版什么的就見諒了。

　　又想起來一條不知能不能算作數電設計，因為關系很密切就寫在這里吧。

　　這一類叫做fabrication。

　　臺灣的TSMC，IBM的foundry。TSMC的22nm（還是另外的？記不清了）的技術很頂尖。這些就是上面第二類說的，板子設計好了送去制作。

　　從最開始怎么做wafer，怎用silicon，用GaAs等melt做引子生長出來純度高的圓柱的單晶硅。以及怎么把你設計的layout圖里面的內容一層層的蝕刻上去。等等。這里面其實又可以分很多類，涉及到很多NanoTechnology。

　　=================14年的答案====================

　　寫在前面：因為題主問的是“數字芯片設計“，所以我主要介紹VLSI方面的名錄。但實際上學VLSI的基本都會學一些compute architecture方面的東西（VLSI主要就是干這個的?。?，所以以后什么時候有空再來補吧。

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　　入門： MOS VLSI Circuit Design，教材：CMOS Digital Integrated Circuits， S. –M. Kang and Y. Leblebici， Mc Graw Hill， 3 rd edition， 2003.

　　貌似國內某網站可搜到中文翻譯版，《CMOS數字集成電路：分析與設計（第3版）2》

　　這一步只需要最基礎的模電數電知識以及基本的電路理論，然后

　　1.學會分析和設計基本的digital IC，知道怎么分析計算最基本的area， delay and power minimization。

　　2.學習從device level到 register level的搭建

　　3.學習MOS devices， logic cells， and critical interconnect and cell characteristics that determine the performance of VLSI circuits.

　　當然學digital IC非常重要的一點就是要用EDA做設計和仿真，比如用synopsis的軟件，比如Cadence Virtuoso，從schematic設計到layout設計，再最后仿真分析。

　　第二層：VLSI System Design

　　這一步主要學的是

　　1.前面各種知識點前加advanced

　　2.各種optimization，包括area，power，delay三大方面，學習各種optimization的切入角度，實現方法。做到chip level design。

　　3.除此之外還要學習data path and memory design之類的東西，

　　4.到這一層你要開始學一門script language了，主流是perl。

　　CMOS VLSI Design A Circuits and Systems Perspective 4th Edition

　　搜了下貌似也有中文對應的翻譯書《CMOS超大規模集成電路設計（第3版）》