1.2 集成电路设计流程及设计环境

在集成电路发展的过程中，数字电路曾经以其基本单元数量少、易于大规模集成而占据主导地位。其发展的总趋势是革新工艺、提高集成度和速度。在此过程中，电路设计大多在工艺制造单位内部的设计部门中进行。这样的设计是有生产线集成电路设计。在这一阶段，无生产线单位一方面难以加入花巨额投资才有可能参与的工艺革新竞争行列，另一方面难以参与芯片设计和实现。

随着集成电路规模的爆炸式扩展，以及模拟数字混合集成系统的广泛需要，知识密集型的芯片设计变得比技术密集型的芯片制造重要起来。另一方面，集成电路生产的高利润前景引发了众多生产线在世界各地的建造，从而导致了集成电路产业生产能力的剩余，即生产线“无米下锅”局面的出现。人们需要更多的功能芯片设计，从而促进了集成电路设计的发展并使得不少设计公司应运而生。这些设计公司拥有设计人才和技术，但不拥有生产线，成为无生产线（Fabless）集成电路设计公司。在国外，现在已有众多这样的公司在运作，如美国硅谷就有200多家Fabless集成电路设计公司，其中有50多家上市公司。中国台湾有这样的大中型公司100多家。芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯片设计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现（代客户加工，简称代工），已成为集成电路技术发展的一个重要特征。

图1.7形象地示出集成电路的无生产线设计与代工制造之间的关系。可以沿着图中从代工单位左上行到设计单位，再右直行到代工单位，最后左下行到设计单位的S曲线，对整个集成电路设计和制造过程加以描述。

图1.7 集成电路的无生产线设计与代工制造之间的关系

首先，代工单位将经过前期开发确定的一套工艺设计文件（PDK, Process Design Kits）通过因特网传送（或光盘等媒介邮寄）给设计单位，这是一次信息流过程。PDK文件包括工艺电路模拟用的器件的SPICE参数，版图设计用的层次定义，设计规则，晶体管、电阻、电容等元件和通孔（Via）、焊盘等基本结构的版图，与设计工具关联的设计规则检查（DRC, Design Rule Check）、参数提取（EXTraction）和版图电路图对照（LVS, Layout Vs Schematic）用的文件。

设计单位根据研究项目提出的技术指标，在自己掌握的电路和系统知识基础上，利用PDK提供的工艺数据和CAD/EDA工具，进行电路设计、电路仿真（或称为“模拟”）和优化、版图设计、设计规则检查DRC、参数提取和版图电路图对照LVS，最终生成以GDS-II格式保存的版图文件，然后通过因特网传送给代工单位。这也是一次信息流过程。

代工单位根据设计单位提供的GDS-II格式的版图数据，首先制作掩模（Mask），将版图数据定义的图形固化到由铬板等材料制成的一套掩模上。一张掩模一方面对应于版图设计中的一层图形，另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。正是在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序地固化到芯片上。这一过程通常简称为“流片”。根据掩模的数目和工艺的自动化程度，一次流片的周期约为2个月。代工单位完成芯片加工后，根据路程远近，利用飞机等不同的快速运输工具寄送给设计单位。

设计单位对芯片进行参数测试和性能评估，符合技术要求时，进入系统应用，从而完成一次集成电路设计、制造和测试与应用的全过程。否则就需进行改进和优化，才能进入下一次循环。