1.3.2 版图设计和优化

集成电路的版图设计和优化是将设计好的线路系统转化为具体的物理版图的过程。集成电路设计的目标是设计正确（包括电路功能和性能）、芯片利用率高、电路的成品率高、设计周期短、设计成本低，其目的是尽可能快的市场反应和高的综合经济效益。

集成电路的工艺技术不断推动集成电路设计方法学的变革，工艺技术的每一次变革都推动了集成电路设计技术的一次飞跃。到目前为止，以版图设计和优化为中心的集成电路设计技术已经历了四代。

在20世纪70～80年代之交，3～5μm工艺是集成电路的主体技术，与之相适应的第一代集成电路计算机辅助设计（ICCAD）技术是以版图输入、设计检查为特点。

80年代中期，集成电路进入1.5～3μm工艺阶段，推动了以门阵列和标准单元为主的半定制设计方法的出现，不是以版图设计为主，而是把主要精力转向设计分析、验证和可制造性，这一代设计技术以网表输入、仿真验证、自动布局布线、单元电路库为特点，从此专用集成电路（ASIC）开始登上历史舞台。

80年代末，90年代初，0.6μm CMOSFPGA和EPLD出现，导致了可编程设计方法的出现，推动了以FPGA作为ASIC原形的设计，用增量设计法缩短了设计验证的周期，这一代设计技术是以自顶向下（Top-down）的系统设计为主要特征，以高层次行为描述、行为仿真、综合优化为设计模式，并注意从系统级验证设计和考虑设计的可测性。

90年代中期，0.35μm的深亚微米CMOS工艺导致了第四代设计技术的产生，即以CPU （或DSP）核（Core）为核心的集成系统设计方法，注意编程和软件的固化，以互连线作为问题的核心，用算法开发和数据流与控制流的方式描述系统，完成系统设计规范的结构转化，在虚拟的原形设计环境中验证系统并实现系统集成，并将设计和测试融为一体。

早期的版图设计采用的手工设计方法，其设计周期和成本随集成度呈指数上升，而且设计中出现错误的概率显著增大。如用5μm NMOS技术，设计一个5000门的电路，设计工作量约为10人年，设计一个25000门到50000门的CMOS VLSI芯片，其耗费远大于100人年。所以早期的人工设计已逐渐被计算机辅助设计（CAD）所取代。

集成电路CAD是指设计工程师借助于一套计算机软件系统完成集成电路的系统设计、逻辑设计、电路设计、版图设计和测试码生成。这套软件称为CAD工具。也有人将ICCAD称为IC设计自动化。

集成电路的设计可分为正向和逆向两种。正向设计是所谓的“自顶向下”设计方法，即从高层综合或原理图输入开始，直至完成电路的掩膜版图设计。逆向设计则正好相反，是以分析的方法，从低到高。即对实际芯片进行解剖分析、照相，从照片中提取出电路的逻辑和电路，从纵向结构中得到电路各元件的参数，然后按照原设计的思路进行设计。目前，由于知识产权保护法的实施，原来意义上的全逆向设计已经行不通，必须在逆向设计进行到一定的程度时转入正向设计。通常是在实际的逻辑提取后，再转入正向设计，实现逻辑功能相同但布局布线完全不同的新设计。

集成电路的设计分为全定制设计和半定制设计两种。半定制设计是针对专用集成电路的。全定制设计技术通常利用人机交互图形系统，由版图设计人员人工地完成各个器件连线的版图设计、输入和编辑，实现电路图到版图的转换。由于是基于人工设计，将设计芯片中的每一个管子均予以优化，所以它需要较高的设计成本和较长的设计周期，但它能使芯片面积最小，性能最好，并可以用来满足某些特殊的要求，如模拟电路、高压电路，传感器等。

本书在第2章介绍半导体器件工作原理的基础上，在第4章介绍双极集成电路和 MOS集成电路的设计，主要介绍两类集成电路版图结构和基本设计方法。介绍集成电路中几种无源元件（电阻、电容和电感）和有源器件的设计方法与版图结构。第5章的设计方法学与本问题有密切的联系，这是本书的重点之一。

本书第6章介绍集成电路计算机辅助设计的概念和基本方法。集成电路设计包括系统和电路设计以及集成电路版图设计两部分。对于数字集成电路目前版图设计自动化已经到了相当成熟的水平，因此完成数字集成电路设计的关键是系统和电路设计。但是，要设计出高水平的数字集成电路，在版图设计方面也需要有所改进。特别是对模拟集成电路设计，版图自动设计软件的实用化还较差，在完成电路设计后，主要由设计人员完成版图设计。而大部分从事电路和系统设计的工程技术人员对版图设计尚比较生疏，因此本书的重点是给电路和系统设计的工程技术人员介绍必要的微电子基本概念和版图设计技术。