什么是集成电路 (IC) 设计？

IC 设计是一门至关重要的学科。它是当今所有微电子器件发展的基础。这包括为笔记本电脑和手机提供动力的微处理器、为计算机显示器和电视机提供支持的图像处理电路，以及用于可穿戴和植入式医疗设备的传感器。这些微电子器件还推动了人工智能 (AI) 的广泛应用，从而开辟了诸如自动驾驶、机器视觉和自然语言处理等全新领域。 

IC 技术已在世界范围内得到广泛部署，而 IC 设计则构成了创建这些器件所需的基石学科集合。

IC 设计过程可以看作是一系列分层分解的步骤。将高级要求细化为更多细节，其目标是在硅晶圆上实现能够准确执行目标功能的电路。构成 IC 设计流程的主要步骤包括：

• 架构设计。 在此阶段，需要明确集成电路 (IC) 的预期功能。在构建系统的背景下，综合考量特定 IC 的各项能力。IC 必须实现哪些功能？所需的运行速度和功耗是多少？器件的目标成本是多少？ 这些问题的答案将为后续选择用于实现该器件的具体技术提供依据。在此阶段，“需要实现什么”最为关键，而“如何实现”尚未明确定义。
• 逻辑/电路设计。 在此阶段，组装并互连宏级构建块以实现 IC 所需的功能。通常会使用预先存在的构建块，例如存储器、处理单元和传感器。电路元件的高级功能描述被分解为所需的低级电路元件。此过程通过称为逻辑综合的软件自动完成。对器件集合进行仿真以验证设计的 functionality（功能）。 根据所需的仿真详细程度，将使用数字逻辑仿真器或模拟电路仿真器。如果需要修改宏级构建块以满足 IC 的要求，则采用定制电路设计技术。在此步骤中，开始定义芯片将“如何实现”。
• 物理设计。 在此步骤中，创建在硅片上实现所有所需电路元件的互连图形的实际版图。该过程从芯片“平面图（floor plan）”开始，该平面图定义了芯片各个主要功能的位置以及设计的主要输入和输出端口的位置。然后，放置并布线最终的电路元件，为制造做好准备。如果需要修改宏级构建块以满足 IC 的要求，则使用采用 IC 版图编辑器工具的定制版图技术。此时，芯片的“实现方式”已完全定义。
• 物理验证。 现在可以对制造过程带给设计的全部物理效应进行建模。布线增加的电阻、信号串扰以及制造过程本身的变异性，都是此阶段必须考虑的诸多因素。在这些应力下，电路仍能正常工作吗？此外，还有许多关于电路必须如何在硅片上进行物理布局以确保其可制造性的设计规则。设计规则检查也在这一步骤中进行。
• 签核（Signoff）。 这是将设计发送至制造之前的最后一步。在此步骤中，将根据“黄金签核 (golden signoff)”质量工具的结果，对所有将影响芯片性能或可制造性的关键参数进行验证。设计规则以及可制造性设计 (DFM) 规则在此步骤中得到全面验证。设计的时序、功耗和信号完整性也在这一步得到验证和“闭环 (closed)”。在签核期间执行准确的寄生参数提取至关重要，以确保充分理解工艺的物理效应。此步骤中使用的黄金签核 Synopsys 工具包括 IC Validator、 PrimeTime®、 PrimePower 和 StarRC。

当人们考虑先进半导体技术时，IC 设计流程的另一个方面变得十分重要。在先进制造技术中，物理效应和工艺变异性起着关键作用。例如，连接电路元件的导线的物理电阻会导致工作电压发生显著变化，从而影响整体电路性能。制造过程的变异性也可能产生意外的电路行为。为了解决这些问题，必须在设计流程的早期对布线延迟和工艺变异等后期效应进行建模和考虑，以确保将这些效应计算在内。

此外，设计的某些方面（例如将如何进行测试以及将消耗多少功率）需要在流程的每个步骤中进行建模和精细化调整。这些事项过于复杂，无法在设计结束时才去处理。这种“前瞻性（looking ahead）”的过程被称为左移 (Shift-Left) 方法，它需要一套非常复杂的设计工具和设计流来给予支持。