基于復(fù)用的數(shù)字集成電路設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

北京理工大學珠海學院 陳景國 田剛

近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當今社會經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，它不僅帶來了豐厚的收益，而且還極大地推動了社會的進步。其中，集成電路的出現(xiàn)，使得它成為當今信息化工業(yè)的重要組成部分，被譽為“電子信息行業(yè)原油”。集成電路行業(yè)擁有多種復(fù)雜的因素，從知識、技術(shù)、資金到人才，使其成為當今信息產(chǎn)品制造業(yè)中投入最多的領(lǐng)域，同時也成為實現(xiàn)國家信息化發(fā)展的重要基礎(chǔ)。為了促進我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并為了改善國家的經(jīng)濟狀況，提高人民的生活水平，加速發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)是十分必要的。本文旨在探討集成電路技術(shù)的發(fā)展趨勢，并著重探討SoC 設(shè)計中的復(fù)用技術(shù)的運用及SoC 設(shè)計的挑戰(zhàn)，最后，運用數(shù)據(jù)挖掘的方法，從系統(tǒng)層面到基礎(chǔ)電路架構(gòu)層面，深入探究復(fù)用的前提條件，最終達到集成電路設(shè)計的自動化。

根據(jù)摩爾定理的預(yù)測，集成電路制造技術(shù)的迅猛發(fā)展給電路設(shè)計帶來了前所未有的機遇與挑戰(zhàn)，從而促進了設(shè)計自動化的深入探索。隨著芯片集成度的不斷提高，以及工藝最小尺寸的不斷降低，數(shù)?；旌显O(shè)計、低功耗設(shè)計、可測性設(shè)計等技術(shù)都是確保設(shè)計成功的重要因素。

1 數(shù)字集成電路中的復(fù)用技術(shù)

自數(shù)字集成電路出現(xiàn)以來，復(fù)用技術(shù)便成為一種重要的數(shù)據(jù)傳輸方式，它利用多路信道的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)快速、準確的數(shù)據(jù)傳輸，并且具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，集成電路的規(guī)模發(fā)生了巨大的改變。復(fù)用技術(shù)在數(shù)字集成電路的設(shè)計中發(fā)揮了重要作用，它使得定制化的設(shè)計得以實現(xiàn)，并且可以通過重復(fù)使用RAM、ROM 等存儲單元，滿足不同尺寸的存儲需求，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和可用性[1]。數(shù)字集成電路的開發(fā)需要大量的重復(fù)使用，例如，門電路和FPGA。這些方法不僅會導(dǎo)致成本高昂，還會延長項目的完成時間。此外，這些方法還能精確檢測設(shè)計理念的可行性。綜上所述，復(fù)用技術(shù)的運用為數(shù)字集成電路的設(shè)計提供了一種前所未有的可能，從而使其取得了重大的突破。SoC、SOPC、ASIP 等先進技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，為數(shù)字集成電路的設(shè)計注入了新的動力。隨著科技的飛速進步，復(fù)用技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，為MCU 的多樣化和差異化提供了強有力的支持。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)，當某些特定指令被反復(fù)使用的次數(shù)較多時，就可以將它們結(jié)合在一起，以確保硬件的完美匹配。經(jīng)過精心編排，我們可以構(gòu)建一個專門的指令集處理器（ASIP），它能夠有效地處理未經(jīng)授權(quán)的指令，從而為數(shù)字集成電路的設(shè)計和開發(fā)提供強大的支持。

SOC 技術(shù)正成為數(shù)字集成電路設(shè)計的主流，它結(jié)合了軟硬件協(xié)同、IP 核復(fù)用、超深亞微米等多種技術(shù)，有效地克服了R&D 過程中的挑戰(zhàn)，并且能夠有效地利用多種設(shè)計手段達成預(yù)期的效果[2]。復(fù)用技術(shù)在數(shù)字集成電路設(shè)計中發(fā)揮著重要作用，通過使用復(fù)用技術(shù)，不僅能夠協(xié)調(diào)軟硬件設(shè)計，還能夠?qū)崿F(xiàn)IP 核復(fù)用，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)超深亞微米設(shè)計，這些都給設(shè)計者帶來了新的挑戰(zhàn)和機會[3]。使用復(fù)用技術(shù)，能夠更好地理解數(shù)字集成電路的規(guī)律，并且能夠提高邏輯綜合、布圖、制造、測試和集成電路分析等環(huán)節(jié)的效率。盡管當前數(shù)字集成電路規(guī)律性提取技術(shù)尚未完善，但仍有巨大的潛力可以挖掘，并且可以通過開發(fā)相關(guān)的工具來實現(xiàn)，從而推動該領(lǐng)域的發(fā)展。

2 復(fù)用的數(shù)字集成電路設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)集成電路的設(shè)計流程，從晶體管到系統(tǒng)，從門到核心，我們可以深入探究其復(fù)用技術(shù)，以期達到最佳的性能。

2.1 基于復(fù)用技術(shù)SoC 設(shè)計

隨著SoC 技術(shù)的發(fā)展，它的高集成度和復(fù)雜度使得它在實際應(yīng)用中面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的電路設(shè)計思維和方法已無法滿足當今的需求，因此，采用復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要。通過對設(shè)計中的功能、結(jié)構(gòu)和方法進行深入挖掘，利用創(chuàng)新的手段，將其轉(zhuǎn)換成多種形態(tài)，進一步改善設(shè)計，以達到更好的性能。SoC 設(shè)計的復(fù)用技術(shù)對于整個芯片的設(shè)計過程至關(guān)重要，無論是從晶體管層面的數(shù)據(jù)收集，還是從門級的數(shù)據(jù)分析，復(fù)用技術(shù)都能為整個芯片的設(shè)計過程帶來極大的便利，大大提升了芯片的性能與可靠性。

2.2 晶體管級復(fù)用

隨著集成電路技術(shù)的快速進步，芯片的尺寸不斷擴大，但是晶體管的數(shù)量卻在迅速增長，這使得芯片的生產(chǎn)和測試成本大幅上漲，從而給芯片開發(fā)帶來了極大的經(jīng)濟壓力。隨著技術(shù)的發(fā)展，版圖自動化分析已經(jīng)成為芯片物理設(shè)計中必不可少的一環(huán)。通過采用先進的版圖分析技術(shù)，如DRC、LVS 等，可以有效地識別出晶體管級別的子電路，而對于集成電路的識別，則必須結(jié)合其內(nèi)部的多個功能模塊，并精確定位其位置，從而更加準確地完成芯片的設(shè)計[4]。

2.3 門級復(fù)用

集成電路的結(jié)構(gòu)由若干個復(fù)雜的抽象層組成，其中提取每個子電路的細節(jié)尤其重要。目前，許多成熟的算法已經(jīng)被廣泛使用，并且已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實際的工程項目中。然而，提取細節(jié)的過程仍然存在挑戰(zhàn)，需要進行更深入的研究。但是，在芯片開發(fā)的“老大難”階段，如何有效地抽取出從基礎(chǔ)層面到高級功能模塊層面的子電路。子電路提取算法是集成電路的關(guān)鍵組成部分，它通過對電路的不同階段進行提取，實現(xiàn)對電路的優(yōu)化。這種算法既考慮了電路的整體性，又考慮了電路的布局和綜合性，有效地降低了芯片的設(shè)計難度，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.4 系統(tǒng)級復(fù)用

采用IP 復(fù)用技術(shù)進行數(shù)字集成電路的設(shè)計優(yōu)化，不僅可以大幅度改善其性能，而且還可以實現(xiàn)低功耗的優(yōu)化，因此，它在SoC 設(shè)計中起到了至關(guān)重要的作用。盡管IP 復(fù)用技術(shù)的優(yōu)點明顯，但它仍然存在一些不足之處。IP 的可伸縮性被極大地削弱，因為它僅僅可以在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行調(diào)整、更新，而不可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整、更換或者增加，從而導(dǎo)致開發(fā)一套新的IP 的時間和精力投入比開發(fā)一套新的IP 的成本更高[5]。因此，IP 的可伸縮性被極大的阻礙，從而影響了它的實際應(yīng)用。

2.5 頻繁模式復(fù)用與集成電路分析

隨著SoC 設(shè)計的普及，數(shù)字集成電路的復(fù)用技術(shù)已經(jīng)成為一種重要的研究方法。然而，目前集成電路的反向分析仍然依賴于人力，這種方法的自動化水平和數(shù)字化水平都相當有限，導(dǎo)致反向分析的效率和準確性都存在一定的問題，從而給集成電路的發(fā)展帶來一定的負面影響[6]。由于反向分析技術(shù)的日益普及，以及芯片尺寸的不斷增大，導(dǎo)致了成本的增加，這就要求我們更加重視數(shù)字進程電路的自動化設(shè)計，而這正是限制集成電路快速發(fā)展的主要原因。經(jīng)過對門級數(shù)字集成電路的拓撲結(jié)構(gòu)的全面探索，不僅可以更好地理解其中的等效結(jié)構(gòu)，而且還可以熟練掌握等效功能提取算法，從而使得自動化的提取候選子電路變得更加容易。

3 復(fù)用技術(shù)在數(shù)字集成電路設(shè)計中的創(chuàng)新應(yīng)用

隨著復(fù)用技術(shù)的普及，數(shù)字集成電路的設(shè)計也受到了極大的影響，因此，需要把數(shù)據(jù)挖掘的理念融入到集成電路的規(guī)律性提取當中，以克服傳統(tǒng)方法所面臨的挑戰(zhàn)。

3.1 構(gòu)建接口電路的可定制可復(fù)用架構(gòu)

基于CF 卡、MMC 卡等接口控制器的一般結(jié)構(gòu)，可以按照一些有效的設(shè)計準則，將其組合成一個可重復(fù)利用的架構(gòu)，從而大大提高系統(tǒng)的效率，同時也有助于節(jié)省資源。通過精心設(shè)計和參數(shù)化優(yōu)化，不僅能夠滿足用戶的多樣化需求，還能夠顯著改善用戶的使用體驗，從而大幅提高系統(tǒng)的運行效率[7]。另外，為了更好地發(fā)揮IP 核的功能，還可以采取可定制、可復(fù)用的架構(gòu)，以便用戶可以根據(jù)自身的需要，靈活運用其中的特權(quán)。

3.2 構(gòu)建二同構(gòu)電路提取模型

通過二同構(gòu)模型，可以有效地克服傳統(tǒng)大規(guī)模集成電路中由于根節(jié)點尺寸太小而帶來的挑戰(zhàn)。通過使用此模型，可以有效地將模板生成和同構(gòu)子電路提取分離開來，從而為多種門級集成電路提供一種統(tǒng)一的、高效的數(shù)字化表示方式，從而更好地實現(xiàn)規(guī)律性提取。通過采用二同構(gòu)電路提取模型，可以顯著提高表征能力，其中，頻繁邊被視為模板的核心組成部分，這樣可以有效地減少不必要的操作，同時也極大地提升了設(shè)計的可重復(fù)利用性和靈活性。

3.3 構(gòu)建數(shù)字集成電路頻繁模式的預(yù)提取方法

采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，我們構(gòu)建了一個能夠有效地控制最低支持度閾值的規(guī)律性提取流程。該流程能夠有效地應(yīng)對頻繁子電路的擴展，同時利用二同構(gòu)模型對其進行數(shù)字化，有助于更快地獲得準確的結(jié)果，極大地提升了算法的運行效率[8]。通過采用該方法，能夠大幅度提升頻繁子電路的提取效率，并且取得了令人矚目的成果。

隨著科技的飛速發(fā)展，復(fù)用技術(shù)已成為數(shù)字集成電路設(shè)計的關(guān)鍵，尤其是在SoC 設(shè)計、系統(tǒng)級和基本電路結(jié)構(gòu)的深入探索、集成電路逆向分析的自動化等領(lǐng)域，受到了越來越多的關(guān)注，為數(shù)字集成電路的發(fā)展提供了強有力的支撐。為了獲得更好的數(shù)字集成電路的表現(xiàn)，需要根據(jù)它的復(fù)雜性，在SoC 設(shè)計過程中，不斷尋找新的方法來解決實際問題，從而獲得更優(yōu)的表現(xiàn)。隨著新一代技術(shù)的發(fā)展，為了實現(xiàn)集成電路規(guī)律性的自動化，必須有效地減少搜索空間，并且大幅提升算法的搜索效率。因此，需努力在提高搜索速度的同時，保證結(jié)果的準確性，以及促使復(fù)用技術(shù)在數(shù)字集成電路設(shè)計方面取得重大突破。

4 復(fù)用數(shù)字電路的未來發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)的發(fā)展，規(guī)律性提取已經(jīng)成為人類認識和利用大自然的重要工具，并且被廣泛應(yīng)用于SoC 設(shè)計自動化實現(xiàn)，成為下一代EDA 工具開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。雖然SoC 設(shè)計的規(guī)律性思維仍處于起步階段，但其在學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，使得芯片的產(chǎn)出率大大提高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)門級電路的自動化分析與整理[9]。采用規(guī)律性思維來指導(dǎo)SoC 設(shè)計，將會極大地改變EDA 行業(yè)，并且為新一代片上系統(tǒng)設(shè)計提供全新的視角、技術(shù)和工具。隨著科技的飛速發(fā)展，集成電路設(shè)計將面臨前所未有的挑戰(zhàn)，許多新的技術(shù)難題也將出現(xiàn)在我們面前，這些挑戰(zhàn)既是機遇，也是挑戰(zhàn)，它們將為設(shè)計自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強大的推動力，從而推動行業(yè)的發(fā)展和進步。

SoC 時代的到來，使得集成電路的規(guī)律性提取成為一項重要的技能，它對于整個系統(tǒng)的運作至關(guān)重要，無論是邏輯分析、布局設(shè)計、生產(chǎn)過程還是測試，都需要它的幫助。由于缺乏EDA 工具，使得門級數(shù)字集成電路規(guī)律性提取技術(shù)受到了嚴重的限制，這也導(dǎo)致了集成電路行業(yè)對這項技術(shù)的迫切需求，需要及時解決這一問題。隨著對集成電路規(guī)律性提取的日益緊迫的需求，過去十幾年來，科學家們不斷努力，在自動化領(lǐng)域取得了重要的突破，許多重要的技術(shù)難題也從理論上獲得了解答。雖然，目前還沒有一種EDA 軟件可以完美地涵蓋整個集成電路的設(shè)計過程，但是，由于集成電路行業(yè)的快速發(fā)展，為了確保產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟性和高質(zhì)量，需要對電路的設(shè)計、繪圖、生產(chǎn)和檢驗過程進行更有效的控制，這就需要依靠EDA 技術(shù)和其他相關(guān)的設(shè)計理論。雖然近年來的研究仍未能完全解決當前的挑戰(zhàn)，但SoC 技術(shù)的進步和EDA 技術(shù)的普及，將為電子設(shè)計師、制造商和整個集成電路行業(yè)帶來巨大的變革，從而顯著提升他們的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量[10]。因此，我們有理由相信，在未來，EDA 技術(shù)將發(fā)揮著越來越重要的作用。據(jù)預(yù)測，未來的EDA 系統(tǒng)將會更加自動化，其設(shè)計者將會更多地關(guān)注于概念的構(gòu)建，而不再僅僅局限于科學家的研究和探索。這樣，在許多工程實踐中，EDA 系統(tǒng)就能夠更好地解決技術(shù)難題。

5 結(jié)語

未來幾十年，集成電路的生產(chǎn)技術(shù)將會迅猛發(fā)展，而集成電路的設(shè)計也會得到更大的改善。SoC 設(shè)計的自動化技術(shù)的研究將會成為科學家們和企業(yè)家們共同探討的重要課題。由于SoC 設(shè)計過程中存在質(zhì)量低下、資源浪費以及成本昂貴的挑戰(zhàn)，因此，正反饋和反饋分析技術(shù)的發(fā)展以及對于集成電路的規(guī)律性的深入研究，將變得更加重要。

引用

[1] 陳晗,趙雷,秦家軍,等.雙環(huán)型游標時間—數(shù)字變換專用集成電路的設(shè)計[J].原子能科學技術(shù),2023,57(2):362-371.

[2] 張輝,李丹,王海軍,等.28nm CMOS工藝的12位3Gs/s射頻采樣流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計[J].集成電路應(yīng)用,2022,39(6):4-5.

[3] 廖福寧.數(shù)字集成電路自動測試儀前端電路設(shè)計[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2022.

[4] 倪海燕,王倫耀,夏銀水,等.數(shù)字集成電路前端設(shè)計及其工程實踐課程教學探討[J].大學教育,2022(4):131-133+140.

[5] 張輝,李丹,王海軍,等.81dBFS信噪比的低功耗四通道16位125Msps流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計[J].集成電路應(yīng)用,2022,39(3):16-17.

[6] 胡勇,黃俊杰,姚俊杰.集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準裝置架構(gòu)設(shè)計[J].艦船電子工程,2022,42(2):161-164.

[7] 周星宇.專用集成電路芯片上的載波恢復(fù)算法設(shè)計與實現(xiàn)[J].數(shù)學的實踐與認識,2021,51(23):107-111.

[8] 陸俊峰.基于復(fù)用的數(shù)字集成電路設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2020(22):41-42.

[9] 汪鵬君.節(jié)能型數(shù)字集成電路設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)[D].寧波:寧波大學,2019.

[10] 潘偉濤.基于復(fù)用的數(shù)字集成電路設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學,2019.