「集積回路（IC） 」デザインとは何ですか？

IC設計は極めて重要な分野です。これは、今日使用されているあらゆるマイクロエレクトロニクスデバイスの開発の基盤となっています。 これには、ノートパソコンや携帯電話を駆動するマイクロプロセッサ、コンピュータモニターやテレビを駆動する画像処理回路、ウェアラブル医療機器や体内に埋め込まれる医療機器に使用されるセンサーなどが含まれます。また、これらのマイクロエレクトロニクスデバイスにより、自動運転、マシンビジョン、自然言語処理といった新たな分野を切り拓く人工知能（AI）の利用が拡大しています。 

IC技術の導入は、今日の世界で広く普及しており、IC設計は、こうしたデバイスを開発するために必要な基礎的な学問分野を形成しています。

IC設計のプロセスは、一連の階層的な分解ステップとして捉えることができます。高レベルの要件は、目的関数を忠実に実行する回路をシリコンウェハー上に実装することを目標として、より詳細なレベルへと分解されていきます。IC設計フローを構成する主なステップには、以下のものが含まれます：

• アーキテクチャ設計。ここでは、ICに求められる機能が定義されます。検討対象となっている特定のICの性能は、構築されるシステムの文脈において検討されます。ICはどのような機能を提供しなければならないか？ 必要な速度と消費電力はどれくらいか？ デバイスの目標コストはいくらか？ これらの質問に対する答えが、デバイスを実装するために採用する具体的な技術の選定に反映されます。この段階では、「何」が必要かが最も重要です。  それが「どのように」実装されるかについては、まだ明確に定義されていません。
• 論理／回路設計。ここでは、マクロレベルの構成要素を組み立て、相互に接続することで、ICに必要な機能を実装します。通常、メモリ、処理ユニット、センサーなど、既存の構成要素が使用されます。回路要素に関する高レベルの機能記述は、必要な低レベルの回路要素に分解されます。このプロセスは、「論理合成」と呼ばれるソフトウェアによって自動化されます。設計の機能を検証するために、デバイス群のシミュレーションが行われます。  必要なシミュレーションの詳細度に応じて、デジタル論理シミュレータまたはアナログ回路シミュレータのいずれかが使用されます。ICの要件を満たすためにマクロレベルの構成要素を変更する必要がある場合は、カスタム回路設計手法が用いられます。このステップにおいて、チップを「どのように」実装するかが定義され始めます。
• フィジカル設計.このステップでは、シリコンウェハー上に必要なすべての回路要素を実装する、相互に接続された形状の実際のレイアウトが作成されます。このプロセスは、チップの「フロアプラン」から始まります。フロアプランでは、チップの各主要機能がどこに配置されるか、および設計の主要な入出力ポートがどこに配置されるかが定義されます。 その後、製造に備えて、最終的な回路要素の配置と配線が行われます。ICの要件を満たすためにマクロレベルの構成要素を変更する必要がある場合は、ICレイアウトエディタツールを用いたカスタムレイアウト手法が採用されます。これで、チップが「どのように」実装されるかが完全に定義されます。
• 物理的検証。製造プロセスによって設計に生じるあらゆる物理的影響を、この段階でモデル化できるようになりました。配線による追加抵抗、信号のクロストーク、製造プロセス自体のばらつきなどは、ここで考慮しなければならない多くの要素の一部です。こうした負荷がかかった状況下でも、回路は正しく動作するでしょうか？ さらに、回路が確実に製造可能となるよう、シリコンウェハー上に回路を物理的にどのように配置すべきかに関する設計ルールも数多く存在します。これらの設計ルールについても、この段階でチェックが行われます。
• サインオフ。これは、設計が製造工程に送られる前の最終段階です。ここでは、チップの性能や製造性に影響を与えるすべての重要なパラメータについて、「ゴールデン・サインオフ」といった品質ツールの結果と照らし合わせて検証が行われます。この段階では、設計ルールに加え、製造性設計（DFM）ルールについても完全に検証されます。  また、このステップでは、設計のタイミング、消費電力、およびシグナル・インテグリティ も検証され、「確定」されます。プロセスの物理的影響を十分に把握するためには、サインオフ時に正確な寄生抽出 を実施することが極めて重要です。このゴールデン・サインオフ シノプシス このステップで使用されるツールには、 IC Validator、PrimeTime®、 PrimePower、および StarRCなどがあります。

最先端の半導体技術を考慮する場合、IC設計フローにおいて重要となる別の側面があります。最先端の製造技術では、物理的効果やプロセスのばらつきが大きな役割を果たします。例えば、回路素子を接続する配線の物理的抵抗により、動作電圧に著しい変化が生じ、ひいては回路全体の性能に影響を及ぼす可能性があります。 また、製造プロセスのばらつきも、予期せぬ回路挙動を引き起こす可能性があります。これらの問題に対処するためには、配線遅延やプロセスばらつきといった後期の影響を、設計プロセスの早い段階でモデル化し、考慮に入れて、これらの影響が確実に反映されるようにする必要があります。

さらに、テストの方法や消費電力の量など、設計のいくつかの側面については、プロセスの各段階でモデル化を行い、改良を重ねる必要があります。これらの項目は複雑すぎて、設計の最終段階で対処することはできません。この「先を見据える」プロセスは「シフトレフト」アプローチと呼ばれ、それを支えるためには非常に高度な設計ツールと設計フローが必要となります。