数字集成电路

数字集成电路简介

　　数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路、中规模集成MSI电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成VLSI电路和特大规模集成（ULSI）电路。

　　数字集成电路是基于数字逻辑（布尔代数）设计和运行的，用于处理数字信号的集成电路。根据集成电路的定义，也可以将数字集成电路定义为：将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路、中规模集成MSI电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成VLSI电路、特大规模集成（ULSI）电路和巨大规模集成电路（GSI，Giga Scale Integration）。

　　小规模集成电路包含的门电路在10个以内，或元器件数不超过10个；中规模集成电路包含的门电路在10～100个之间，或元器件数在100～1000个之间；大规模集成电路包含的门电路在100个以上，或元器件数在1，000～10， 000个之间；超大规模集成电路包含的门电路在1万个以上，或元器件数在100，000～1，000，000之间；特大规模集成电路的门电路在10万个以上，或元器件数在1，000，000～10，000，000之间。随着微电子工艺的进步，集成电路的规模越来越大，简单地以集成元件数目来划分类型已经没有多大的意义了，目前暂时以“巨大规模集成电路”来统称集成规模超过1亿个元器件的集成电路。

数字集成电路百科

　　数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路、中规模集成MSI电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成VLSI电路和特大规模集成（ULSI）电路。

　　数字集成电路是基于数字逻辑（布尔代数）设计和运行的，用于处理数字信号的集成电路。根据集成电路的定义，也可以将数字集成电路定义为：将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路、中规模集成MSI电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成VLSI电路、特大规模集成（ULSI）电路和巨大规模集成电路（GSI，Giga Scale Integration）。

　　小规模集成电路包含的门电路在10个以内，或元器件数不超过10个；中规模集成电路包含的门电路在10～100个之间，或元器件数在100～1000个之间；大规模集成电路包含的门电路在100个以上，或元器件数在1，000～10， 000个之间；超大规模集成电路包含的门电路在1万个以上，或元器件数在100，000～1，000，000之间；特大规模集成电路的门电路在10万个以上，或元器件数在1，000，000～10，000，000之间。随着微电子工艺的进步，集成电路的规模越来越大，简单地以集成元件数目来划分类型已经没有多大的意义了，目前暂时以“巨大规模集成电路”来统称集成规模超过1亿个元器件的集成电路。

　　内部设计

　　数字电路的组成：组合逻辑+寄存器（触发器）。组合逻辑就是由基本门组成的函数，其输出只会跟当前的输入有关，在上面的例子中，第一个图就是组合逻辑，只完成逻辑运算；而时序电路除了包含基本门之外，还包含存储元件用例保存过去的信息，时序电路的稳态输出不仅取决于当前的输入，还与过去的输入所形成状态有关。第二个图就是时序电路，在完成逻辑运算的同时，还可以把处理结果暂存起来，用以下一次的运算。

　　从功能上来看，数字集成电路内部可以分为数据通路（Data-path，也称为数据路径）和控制逻辑两大部分。这两大部分都是由大量的时序逻辑电路集成的，而且绝大部分都是同步的时序电路，因为时序电路被多个触发器或寄存器分成若干节点，而这些触发器在时钟的控制下会按同样的节拍来工作，可以简化设计。在长期的设计过程中，已经积累了很多标准的通用单元，比如选择器（也叫多路器，可以从多个输入数据中选一个输出）、比较器（用于比较两个数的大小）、加法器、乘法器、移位寄存器等等，这些单元电路形状规则，便于集成（这也是数字电路在集成电路中得到更好的发展的原因）。这些单元按设计要求连接在一起，形成数据通路，待处理的数据从输入端经过这条通路到输出端，便得到处理后的结果。同时，还需要由专门设计的控制逻辑，控制数据通路的各组成部件，按各自的功能要求和特定的时序关系和来配合工作。

　　数字集成电路必读的几本书

　　《数字集成电路——电路、系统与设计》

　　前端要学verilog和VHDL的教材

　　数字后端有《数字集成电路物理设计》

　　verilog一般用夏宇闻的教材，也有很多人说他写的不好，但是硬件描述语言重在使用，死学无用，找本书作参考就好。用其它教材也一样。

　　网上流传的英文数字集成电路公开课，有兴趣和能力可以去试试。

　　数字芯片设计入门

　　数字芯片的设计，可以这样来分类。

　　第一类是Physical Design。我原先答案中所说的第一层和第二层就是这块的内容。

　　这块内容的特点是什么呢？简而言之就是你要实际的去设计物理电路，直接面对silicon wafer这张画布去布线走线，怎么走metal1 metal2 直至metal6甚至，如何在不同层间打via。摆放你的Transistor， 你的gate，乃至你的SRAM，ALU。

　　所以你要对从Transistor Level到Gate Level乃至更高层的知识很熟悉，物理上的特性要了解。从最基础的Transistor的各种First Order Effect，Second Order Effect。到更高level的比如SRAM，DRAM怎么个构造怎么个功能。

　　现代的数电技术必须要注重三个optimizing：area，delay，power consumption。一些工程上的经验，比如logical effort估算，就是怎么让pathdelay最短。对各种leakage current的掌握才能做低能耗设计。

　　第二类是 ASIC RTL design了。

　　简单的说就是写Verilog或VHDL code，也有用SystemC的，然后用code来描述功能。这一步叫做RTL Design。

　　RTL改到功能对了后要用Tool来Synthesis，比如Synopsis的Design Compiler。Synthesis是什么呢，就是它会生成一个与你的code设计的电路等效的电路，但它的这个是优化了的，你所有的冗余它会自动帮你修掉，你重复的路径它会帮你删掉。Synthesis完你的实际电路就出来了，你可以用GUI的Design Vision里面的功能来看这个电路。但是Synthesis是要依据一系列的rules来的，这个rules就是你要用一个tcl文件用tcl的语法写出来给你的tool，你的tool在这些rules的限制下把你原先的电路optimize出来，这时候往往会有一个slack violate。什么叫slack violate呢？就是比如你设计了一个DDR，按你的rules里面要求它一个周期应该在1.5ns内，但你设计的不好，导致Design Compiler无论怎样都没法把最长的path缩到1.5ns内，这时候你就violate了，就得改。直到改过为止。

　　Synthesis搞定后还有Post-syn，就是把Synthesis出来的等效优化电路再重新跑一次，看看功能是不是仍然正确。否则改之。

　　最后再用软件自动布线生成layout。

　　第三类是Verification，

　　Verification是在你的design最后流片前要做的验证。这个非常重要，有些startup就是因为Verification没搞好直接就破产了。要会这一类知识你要先有很好的软件基础，OOP比如C++，还有SystemVerilog，C 最好要会。然后去学Verification的知识，所谓OVM UVM。

　　通常一个design做出来后（就是上面的第二类全部完成后）会送去流片，但一个asic的流片往往要好几周，甚至数月。对于公司的产品竞争来说，及时的推向市场是很关键的。于是我们就会先拿FPGA来做prototyping，把电路先烧到FPGA里面，当然有的时候还需要一些peripherals的配合，这些都是要学的。

　　第四类叫Testing

　　Testing是板子出来后做的测试，里面又有validation等等。现在多用的DFT技术，怎么生成test pattern，怎么ATPG都要去学。

　　第五类可以称之为Architecture

　　什么是Architecture，比如：

　　Processor怎么设计？怎么从single cycle CPU变为 multcycle，最终进化为pipeline，每一个stage怎么运转的。

　　Memory体系怎么设计？Cache coherence，以及各种protocol，怎么在不同level的cache之间保证数据的正确。

　　现在处理器常用的Out of Order Execution，各种Tomasulo algorithm实现。

　　Branch Prediction： 简言之就是处理器遇到IF了怎么判断？各种Branch Predictor， 从简单的基于history到TWO-LEVEL PREDICTORS，到COMBINING PREDICTORS

　　Multiprocessor技术。

　　等等。

　　Architecture最尖端的技术一直在Intel在AMD最核心的实验室里。学校教的，哪怕是我们学校教的也不过是已经广为接受的设计。

　　草草地写在这里，排版什么的就见谅了。

　　又想起来一条不知能不能算作数电设计，因为关系很密切就写在这里吧。

　　这一类叫做fabrication。

　　台湾的TSMC，IBM的foundry。TSMC的22nm（还是另外的？记不清了）的技术很顶尖。这些就是上面第二类说的，板子设计好了送去制作。

　　从最开始怎么做wafer，怎用silicon，用GaAs等melt做引子生长出来纯度高的圆柱的单晶硅。以及怎么把你设计的layout图里面的内容一层层的蚀刻上去。等等。这里面其实又可以分很多类，涉及到很多NanoTechnology。

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

　　写在前面：因为题主问的是“数字芯片设计“，所以我主要介绍VLSI方面的名录。但实际上学VLSI的基本都会学一些compute architecture方面的东西（VLSI主要就是干这个的啊），所以以后什么时候有空再来补吧。

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

　　貌似国内某网站可搜到中文翻译版，《CMOS数字集成电路：分析与设计（第3版）2》

　　这一步只需要最基础的模电数电知识以及基本的电路理论，然后

　　1.学会分析和设计基本的digital IC，知道怎么分析计算最基本的area， delay and power minimization。

　　2.学习从device level到 register level的搭建

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

　　当然学digital IC非常重要的一点就是要用EDA做设计和仿真，比如用synopsis的软件，比如Cadence Virtuoso，从schematic设计到layout设计，再最后仿真分析。

　　第二层：VLSI System Design

　　这一步主要学的是

　　1.前面各种知识点前加advanced

　　2.各种optimization，包括area，power，delay三大方面，学习各种optimization的切入角度，实现方法。做到chip level design。

　　3.除此之外还要学习data path and memory design之类的东西，

　　4.到这一层你要开始学一门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对应的翻译书《CMOS超大规模集成电路设计（第3版）》