VLSI 设计 - 数字系统

超大规模集成 (VLSI) 是通过将数千个 晶体管 组合到单个芯片中来创建 集成电路 (IC) 的过程。VLSI 始于 20 世纪 70 年代，当时正在开发复杂的 半导体 和通信技术。微处理器 是一种 VLSI 设备。

在引入 VLSI 技术之前，大多数 IC 可以执行的功能有限。电子电路可能由 CPU、ROM、RAM 和其他 胶合逻辑 组成。VLSI 允许 IC 设计人员将所有这些添加到一个芯片中。

电子行业在过去几十年中实现了惊人的增长，这主要归功于大规模集成技术和系统设计应用的快速发展。随着超大规模集成 (VLSI) 设计的出现，集成电路 (IC) 在高性能计算、控制、电信、图像和视频处理以及消费电子产品中的应用数量正在快速增长。

当前的尖端技术(例如高分辨率和低比特率视频和蜂窝通信)为最终用户提供了大量应用、处理能力和便携性。预计这一趋势将迅速增长，对 VLSI 设计和系统设计具有非常重要的意义。

VLSI 设计流程

VLSI IC 电路设计流程如下图所示。设计的各个层次都已编号，而块则显示了设计流程中的过程。

首先是规范，它们抽象地描述了要设计的数字 IC 电路的功能、接口和架构。

然后创建行为描述，以从功能、性能、对给定标准的符合性和其他规范的角度分析设计。

RTL 描述是使用 HDL 完成的。此 RTL 描述经过模拟以测试功能。从这里开始，我们需要 EDA 工具的帮助。

然后使用逻辑综合工具将 RTL 描述转换为门级网表。门级网表是对门及其之间连接的电路描述，这些门的制作方式符合时序、功率和面积规范。

最后，进行物理布局，验证后送去制造。

Gajski-Kuhn Y 图是一个模型，它捕捉了设计半导体器件时的考虑因素。

Gajski-Kuhn Y 图的三个域位于径向轴上。每个域都可以使用同心环划分为抽象级别。

在顶层(外环)，我们考虑芯片的架构；在较低层次(内环)，我们逐步将设计细化为更精细的详细实现 −

通过高级综合或逻辑综合的过程，可以从行为描述创建结构描述。

通过布局综合，可以从结构描述创建物理描述。

设计层次涉及"分而治之"的原则。它只不过是将任务划分为更小的任务，直到达到最简单的级别。这个过程是最合适的，因为设计的最后演变变得如此简单，以至于制造变得更容易。

我们可以将给定的任务设计到设计流程的领域(行为、结构和几何)。为了理解这一点，我们以设计一个 16 位加法器为例，如下图所示。

这里，整个 16 位加法器芯片被分成四个 4 位加法器模块。进一步，将 4 位加法器分为 1 位加法器或半加法器。1 位加法是最简单的设计过程，其内部电路也易于在芯片上制造。现在，连接所有最后四个加法器，我们可以设计一个 4 位加法器，继续，我们可以设计一个 16 位加法器。