Design and Innovate

การออกแบบวงจรรวม (IC Design)

Last Updated on Thursday, 29 October 2009 17:08 Written by Chumnarn Punyasai Thursday, 29 October 2009 14:29

การออกแบบวงจรรวม (IC Design)

วงจรรวม (IC) นั้นมีขั้นตอนการพัฒนาอยู่ 2 ส่วน ได้แก่ส่วนของการออกแบบ (IC design) และส่วนของการผลิตวงจรรวม (IC fabrication) ในด้านการออกแบบนั้นดำเนินการโดยงานวิจัยออกแบบวงจรรวม และในส่วนของการผลิตนั้นดำเนินการโดยศูนย์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ (TMEC) และโรงงานผลิตในต่างประเทศ  วิธีการออกแบบวงจรรวมจะมีทั้งแบบดิจตอลล้วนๆ (Digital IC design) หรือแบบอะนาล็อกล้วนๆ (Analog IC design) หรือรวมทั้งสองแบบในเวลาเดียวกัน (Mixed signal IC design) ในกรณีที่ระบบมีความซับซ้อนสูงการออกแบบอาจใช้เทคนิค system-on-chip design ทั้งนี้ในขั้นตอนการออกแบบไอซีโดยทั่วไปสามารถแสดงได้ดังรูป

 

รูปแสดงขั้นตอนการออกแบบไอซีโดยใช้ซอฟต์แวร์ของบริษัทเป็นหลัก

 

ขั้นตอนการออกแบบวงจรรวม มีขั้นตอนหลักดังนี้

 

1. Design Entry ผู้ออกแบบเริ่มต้นด้วยการกำหนดรายละเอียดหน้าที่การทำงานของวงจรรวมที่ตนต้องการ แล้วป้อนรายละเอียดนี้เข้าสู่คอมพิวเตอร์  ซึ่งสามารถทำได้โดยการวาดแผนภาพเค้าร่าง (schematic) ของวงจรโดยตรง หรือโดยการสร้างโปรแกรมในภาษาพรรณนาฮาร์ดแวร์ (Hardware Description Language: HDL) เช่นภาษา VHDL และภาษา Verilog แล้วให้คอมพิวเตอร์ทำการสังเคราะห์ (synthesis)วงจรเป็นเกตหรือแผนภาพเค้าร่าง (schematic netlist) การออกแบบในขั้นนี้เราสนใจเพียงพฤติกรรมของระบบที่เราออกแบบเท่านั้น     

 

รูป ตัวอย่างการออกแบบโดยใช้ภาษา VHDL แล้วสังเคราะห์เป็นลอจิกเกต

 

2. Simulation ผู้ออกแบบนำ schematic มาทำการจำลองการทำงาน (simulation) เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของวงจรที่ออกแบบตามข้อมูลในเวกเตอร์ทดสอบ (test vector) ที่ผู้ออกแบบกำหนดไว้ โดยพิจารณาจากไดอะแกรมทางเวลา (timing diagram) และการจำลองความผิดพลาดที่เกิดขึ้น   ผลจาก simulation จะถูกใช้ในการปรับปรุงแก้ไขวงจรให้ถูกต้อง ก่อนการออกแบบผังวงจรในขั้นตอนสุดท้าย

3. Physical Layout ผู้ออกแบบนำแผนภาพเค้าร่าง (schematic) มาแปลงให้เป็นผังภูมิวงจร (layout) ระดับกายภาพ ซึ่งจะใช้เป็นแบบที่จะถูกถ่ายลงบนแผ่นเวเฟอร์ (แว่นผลึกของสารกึ่งตัวนำซิลิกอน) ที่เตรียมเข้ากระบวนการเจือสารให้เป็นแผ่นวงจรรวมที่จะถูกตัดแบ่งเป็นชิปหลายตัวต่อไป

 

เทคนิคการออกแบบผังภูมิวงจรมี 2 วิธีหลักๆ คือ

(1) Full-custom เป็นวิธีที่นักออกแบบวาดผังภูมิวงจรด้วยตนเองในคอมพิวเตอร์  โดยไม่ได้ใช้ซอฟต์แวร์ระบบอัตโนมัติช่วยเหลือ  มักใช้กับวงจรที่มีขนาดเล็ก เช่น วงจรอะนาล็อก หรือวงจรที่ต้องการเน้นประสิทธิภาพสูง เช่น ไมโครโปรเซสเซอร์

(2) Cell-based หรือ ใช้ “เซลล์มาตรฐาน” เป็นวิธีที่นักออกแบบใช้ซอฟต์แวร์ระบบอัตโนมัติเข้าช่วย โดยอาศัยการแปลงข้อมูล netlist (บัญชีรายการส่วนประกอบในวงจรและการเชื่อมต่อ)ที่ได้จากการสังเคราะห์วงจร (synthesis) หรือจาก schematic ให้กลายเป็นผังภูมิวงจรด้วยการใช้เซลล์มาตรฐาน (standard cells) ซึ่งเป็นผังภูมิวงจรสำเร็จรูปของเซลล์ย่อยในไลบรารี่มาตรฐาน มาจัดวางเรียง (place) และเชื่อมต่อ (route) ให้เป็นผังวงจรรวมที่สมบูรณ์  วิธีนี้มักใช้กับการออกแบบวงจรที่มีขนาดใหญ่ และต้องใช้ความรวดเร็วในการออกแบบ

รูป ตัวอย่าง ผังภูมิเซลล์มาตรฐานวงจร NAND

รูป ผังภูมิวงจรรวม

หลังการออกแบบผังวงจรเสร็จสิ้น  ผู้ออกแบบจะใช้คอมพิวเตอร์ช่วยตรวจสอบว่าผังภูมิวงจร (layout) นั้นถูกต้องตามกฎการออกแบบ กฎทางไฟฟ้า และมีความผิดเพี้ยนจากแผนภาพเค้าร่าง (schematic) หรือไม่   หากมีความผิดพลาดหรือผิดเพี้ยน จุดผิดเหล่านั้นต้องได้รับการแก้ไข ก่อนส่งแฟ้มข้อมูลผังวงจรรวมไปให้โรงงานทำหน้ากาก (mask) สำหรับใช้ผลิตเป็นไมโครชิปต่อไป

เทคโนโลยีหลักที่ใช้ในการออกแบบและผลิตวงจรรวมนั้นได้แก่ เทคโนโลยี CMOS ซึ่งจะมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ในส่วนของ TMEC นั้นแนวโน้มจะเน้นไปทาง low power/low voltage ซึ่งจะใช้งานทางด้านเซนเซอร์

ในส่วนอื่นของเทคโนโลยีที่ใช้พัฒนาวงจรรวมนั้นนอกจากการผลิตโดยใช้เทคโนโลยี CMOS แล้วยังสามารถพัฒนาวงจรโดยใช้เทคโนโลยีเอฟพีจีเอ (Field Programmable Gate Array) โดยการทดสอบต้นแบบวงจรบนบอร์ดพัฒนาก่อนที่จะออกแบบในระดับผังภูมิต่อไป เช่นบอร์ด Xilinx Spartan-3 รองรับวงจรได้ถึง 1.6 ล้านเกต และบอร์ดพัฒนาเอฟพีจีเอ Virtex-5

 

ตัวอย่างซอฟต์แวร์ที่ใช้สำหรับออกแบบ เช่น Cadence Design Systems, Tanner Tools, Synopsys, Silvaco, Mentor Graphics, ELECTRIC