IC 101: Der Entwurfsprozess für integrierte Schaltkreise

Dieser Artikel ist der zweite in einer Reihe, die sich eingehend mit einem der wichtigsten Angebote von Phison befasst: dem integrierten Schaltkreis (IC). Unser erster Teil untersucht, was ICs sind und wie sie klassifiziert werden. Jetzt befassen wir uns mit dem Design von ICs.  

Der integrierte Schaltkreis wurde erstmals 1960 entwickelt und enthielt lediglich fünf Widerstände und vier Transistoren (Minischalter oder Ventile, die leitend werden, wenn sie an elektrische Spannung oder Strom angeschlossen werden). Scheint einfach, oder?

Die Dinge änderten sich jedoch schnell, denn die Zahl der Transistoren und anderen Komponenten auf dem IC wuchs rasant – und zwar so schnell, dass 1965 ein weiser Mann namens Gordon Moore eine mittlerweile berühmte Beobachtung machte. Er sagte voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem durchschnittlichen IC alle zwei Jahre verdoppeln würde. Er sah, wie die Halbleiterindustrie in nur wenigen Jahren in die Höhe schoss und wie die Größe der Transistoren mit der Weiterentwicklung der Herstellungsprozesse und des technologischen Wissens immer weiter schrumpfte.

„Moores Gesetz“ war mehr als 40 Jahre lang ziemlich genau. In den frühen 2000er Jahren begannen sich die Schätzungen zu verlangsamen, da die Technologie der Siliziumtransistoren an die physikalischen Grenzen stieß. Transistoren sind heutzutage in etwa so klein, wie sie physisch sein können, und sind mit der 3D-Architektur und anderen Technologien immer komplexer geworden.

Das bedeutet jedoch nicht, dass die Weiterentwicklung von Computerchips aufgehört hat. Die Technologien, die Halbleiter und IC-Komponenten ermöglichen, entwickeln sich immer noch exponentiell weiter. Ein digitaler IC kann heutzutage problemlos mehr als 100 Milliarden Transistoren pro Chip enthalten. Mit so vielen Transistoren aufgebaute ICs sind unglaublich komplex. Es ist schwer, sich ein Rohrsystem wie in unserem vorherigen Artikel mit einer mickrigen Milliarde Ventilen vorzustellen, geschweige denn 100 Milliarden.

Anstatt zu versuchen, die atemberaubende Komplexität eines modernen ICs zu veranschaulichen, werfen wir einen Blick darauf, wie diese Chips Schritt für Schritt entworfen werden. Es gibt fünf Hauptphasen des IC-Designs:

• • • IC-Spezifikation und Funktionsdesign
    • RTL-Codierung
    • Netlisting auf Gate-Ebene
    • Layouterstellung
    • Herauskleben

Auch wenn die Begriffe auf den ersten Blick abschreckend wirken mögen, lassen sie sich alle mit einer einfachen Analogie erklären: dem Entwurf eines Hauses (Abbildung 1).

Abb. 1. Die Phasen des IC-Designs können mit den Schritten beim Bau eines Hauses verglichen werden.

Phase 1: IC-Spezifikation und Funktionsdesign

Beim Entwurf eines Hauses ist es wichtig, dass der Hausbesitzer und der Architekt im Vorfeld alle Funktionen und Merkmale besprechen, die der Eigentümer für das Haus wünscht. Es geht um die Planung des Projekts – und beim IC-Design funktioniert es genauso. Der IC-Designer und die Beteiligten müssen die gewünschten Spezifikationen besprechen, die die von der Zielanwendung benötigten Funktionen und Fähigkeiten ermöglichen. In einem typischen NAND-Flash-Controller-IC umfassen die Hauptfunktionsblöcke beispielsweise Front-End-Verbindung, zentrale Engine, Puffer- und Speichermedienverwaltung, Peripherieverbindungen und Sicherheitsfunktionen (Abbildung 2).

Während ein Funktionsblockdiagramm wie in Abbildung 2 einfach erscheinen mag, gibt es tatsächlich eine Fülle detaillierter Bedingungen und Parameter, die im Vorfeld festgelegt und sorgfältig überprüft werden müssen, bevor Hardware-Designer mit der nächsten Phase fortfahren können.

Abb. 2. Funktionsblockdiagramm eines typischen NAND-Flash-Controller-ICs.

Phase 2: RTL-Codierung

Während es in der ersten Phase ausschließlich um die Planung ging, gelten diese und die nächste Phase als Ausführungsteile des IC-Designprozesses. Mit einem funktionalen Blockdiagramm in der Hand erstellen Designer Entwürfe von RTL-Code (Register-Transfer-Level), der theoretisch die Spezifikationen ausführen kann, auf die sich das Team in Phase 1 geeinigt hat. Der RTL-Code ist eine High-Level-Darstellung des IC und wird verwendet, um in diesen frühen Phasen das gesamte System in seiner einfachsten Form zu „beschreiben“.

RTL-Code ist eine Low-Level-Codierungssprache, die es Designern ermöglicht, im Wesentlichen verschiedene Möglichkeiten zum Zusammensetzen des IC-„Puzzles“ vorzustellen. Um die Hausbau-Analogie fortzusetzen: Die RTL-Kodierungsentwürfe sind im Wesentlichen Listen von Kombinationen von Designkomponenten, ähnlich wie ein Hausplan Bodenbeläge und Schrankstil und -materialien, Decken- oder Wandverkleidungen und Sanitärarmaturen spezifizieren würde. Durch die Auswertung der RTL-Code-Entwürfe sollte das Designteam in der Lage sein, die theoretisch optimale Zusammensetzung jedes Blocks im System abzuleiten.

Phase 3: Netlisting auf Gate-Ebene

Sobald das Designteam einen RTL-Code-Entwurf festgelegt hat, ist es nun bereit, eine Netzliste auf Gate-Ebene des RTL-Code-Ergebnisses zu erstellen. Das bedeutet, dass die Designer das RTL-Codeergebnis mit logischen Gattern abbilden. Diese Karte enthält alle Verzögerungen und Logiken, die im endgültigen System vorhanden sein werden. Es ähnelt einer 3D-Simulation eines Hauses, in dem alle Designelemente und Einrichtungsgegenstände installiert sind, sodass das Team sehen kann, wie alles zusammenwirkt.

Während 3D-Grafiksimulationen es Hausdesignern und Beteiligten ermöglichen, den Entwurf zu visualisieren, hilft Netlisting auf Gate-Ebene dabei, alle logischen Konfigurationen gemäß dem RTL-Codeplan zu klären. Mit der endgültigen Version der Netzliste sollten die Designer nun ein hohes Maß an Vertrauen in die Machbarkeit des gesamten Designs haben, da die meisten kniffligen Designentscheidungen in dieser Phase besprochen und gelöst wurden. Mit einer Netzliste auf Gate-Ebene können Sie das endgültige Design per Simulation testen.

Phase 4: Layouterstellung

Sobald die Netzliste auf Gate-Ebene fertiggestellt ist, können Hardware-Ingenieure nun die Platzierung von Schaltkreisen, Transistoren und anderen Komponenten simulieren, um ein detailliertes Layout des IC zu erstellen. Diese Arbeit der Verbindung aller notwendigen Funktionsblöcke und ihrer jeweiligen Komponenten ähnelt der Verbindung und Verlegung der Sanitär- und Beleuchtungssysteme eines Hauses. Am Ende dieser Phase verfügt das IC-Designteam über einen detaillierten „Master-Entwurf“ und die eigentliche Konstruktion ist fast fertig.

Phase 5: Tape-out

Tape-out ist die letzte Phase des IC-Designprozesses – die letzte Station, bevor der IC zur Fertigung geschickt wird. In dieser Phase wird eine Fotomaske der Schaltung erstellt. Eine Fotomaske beginnt mit einer festen Platte, typischerweise aus Quarz oder Glas. Beim Abkleben wird die Platte mit einer undurchsichtigen Folie überzogen, die ausgeschnittene Räume oder Löcher aufweist, durch die Licht hindurchscheinen kann (Abbildung 3). IC-Hersteller verwenden Fotomasken, um Muster auf einem Siliziumchip zu erzeugen. Sie können es als „Mastervorlage“ eines IC-Designs betrachten.

Abb. 3. Eine vorbereitete IC-Fotomaske.

An diesem Punkt beginnt die Analogie zum Hausbau etwas zu bröckeln. Der Bau eines Hauses nach einem detaillierten Bauplan kann immer noch mit vielen Herausforderungen und unvorhergesehenen Problemen verbunden sein. Beim IC-Design besteht weniger Unsicherheit, da Simulationen, die mit EDA-Software (Electronic Design Automation) erstellt wurden, den realistischen Betrieb und die Funktionalität des Systemdesigns nachahmen können. Auch wenn es immer noch zu Anomalien kommen kann, können die meisten potenziellen Probleme vor der eigentlichen Produktion vorhergesehen und gelöst werden, was viel Zeit, Mühe und Geld spart.

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Phison ist ein Branchenführer im kundenspezifischen IC-Design

Die NAND-Flash-Speicherlösungen von Phison und proprietäres IC-Design haben sich weiterentwickelt, um den sich ändernden Anforderungen moderner Unternehmen und den schwankenden Marktanforderungen gerecht zu werden. Mit seiner nachgewiesenen Designkompetenz und seiner reichen Erfahrung im Bereich Innovation ist das Unternehmen bereit, dazu beizutragen, Anwendungen der nächsten Generation auf der ganzen Welt zu revolutionieren.

Seien Sie gespannt auf unseren dritten und letzten Teil der IC 101-Blogserie, in der wir den Ansatz erkunden, den Phison bei der IC-Entwicklung verfolgt.