第4章 物理设计的方法：模型、风格、任务和流程97
4.3.2 自上而下、自下而上和中间相遇设计110
4.7.2 “自下而上与自上而下”的版图设计流程124
第5章 物理设计的步骤：从网表生成到布局后处理126
7.1.4 p-n结的击穿电压（又称阻断能力）205
当伦敦邮局的一位工程师厌倦了在连接器之间整理数百根缠结的电缆时，他在1903年申请了一项名为“电缆的改进或连接以及电缆的对接”的专利，但很可能没有预见到“层压在绝缘板上的扁平箔导体”的广泛影响。于是，印制电路板（PCB）诞生了，并获得了工程上的成功。第一块电路板需要极高的制造技能—电子器件被固定在弹簧之间，并通过Pertinax铆钉进行电气连接。铜层压绝缘层于1936年问世，引领了可靠的大规模生产PCB的技术路径。这些电路板使人们能够制造价格低廉的电子设备，如收音机，从此成为每个人家中不可或缺的物品。
1942年微型真空管的发明开创了第一代现代电子技术。最早的大型计算设备，电子数值积分器和计算机（ENIAC）都包含了可观的20000个真空管。
1948年，晶体管的发明启动了第二代计算设备。经验证，这些晶体管比其前身的真空管更小、发热更低、更可靠，从而实现了真正的便携式电子设备，如小型晶体管收音机。
20世纪60年代见证了第三代电子产品的曙光，迎来了集成电路 (IC) 的发展。与半导体存储器一起，使系统设计变得越来越复杂和小型化。随后，在1971年，我们目睹了第一个微处理器的诞生，随后不久又取得了一系列技术突破，其影响在今天仍然显而易见。1973年，摩托罗拉开发了第一个原型移动电话，1976年苹果电脑推出了AppleⅠ，1981年IBM推出了IBM PC。这些发展预示着iPhone和iPad在21世纪之交变得无处不在，随后是智能、基于云计算的电子产品，它们充实、促进和改善了我们今天的生活。如今，即使是最便宜的智能手机中的晶体管也比银河系中的恒星更多！
这一工程领域的巨大成功依赖于一个关键步骤：将抽象但日益复杂的电路描述转化为详细的几何版图，随后可以“真实”地制造而无瑕疵。这一步，称为版图设计或物理设计, 它在业界也被称为在每个电子电路设计流程的后端（在本书中使用的术语）。在该步骤中必须生成制造PCB和IC所需的所有说明。本质上，抽象电路描述中的所有元件（包括器件符号和它们之间的接线）都被转换为描述几何对象的格式，例如线迹和钻孔（对于PCB）或包括数十亿个矩形形状的掩模版图图案（对于IC）。然后，在IC制造过程中，用这些设计图在硅片表面“神奇地创建”物理电气网络，当电子通过系统发送时，IC执行与初始电路描述中设想的功能完全相同的功能。如果没有这个物理设计阶段，我们甚至连最简单的收音机都不会有，更不用说笔记本电脑、智能手机或我们今天设想的无数电子设备了。
物理设计曾经是一个相当简单的过程。从描述逻辑电路元件和互连的网表、工艺文件和器件库开始，电路设计师将使用平面布局图来确定不同电路模块应放置在何处，然后以所谓的布局和布线步骤来排列和连接单元和器件。任何电路和时序问题都可以通过局部迭代改进版图来解决。
时代飞速向前；如果前几代电路设计复杂性类似于城镇和村庄，那么现代设计就涵盖了整个国家。例如，如果当今的一个集成电路（例如智能手机中的集成电路）中的线路按照常规街道尺寸进行布局，则最终芯片的面积将覆盖美国和加拿大的总和！因此,今天的数十亿晶体管电路和异构堆叠的PCB需要一个更复杂的物理设计流程。首先划分电路描述，以分解复杂性并允许并行设计。一旦我们在布局规划时安排好分区的模块和接口，这些模块就可以独立处理了。第一步是器件布局，紧随其后的是布线连接。物理验证检查、执行时序和其他约束以及多个措施应用于布局后处理，以确保IC和PCB版图的可制造性。
物理/版图设计领域已经远远超出了一个人可以处理的所有流程。版图生成过程中要考虑的约束变得极其复杂。风险很高：可靠性检查的一次缺失可能会使数百万美元的设计变得无用。生产单个工艺节点的制造设备花费很容易超过10亿美元。研究论文描述了大量这些问题的解决方案；然而，其庞大的体量使得工程师无法跟上最新的发展。
考虑到高风险和难以置信的复杂程度，迫切需要暂时放缓快速发展的势头，而考虑这个极其广泛和复杂的设计阶段的基础。学生需要学习和理解今天的复杂版图背后的基本步骤“为什么”和“如何”，而不仅仅是“什么”。随着新技术的应用日益激烈的竞争，工程师和专家都需要更新他们的知识，拓宽他们的视野。由于摩尔定律，持续的等比例缩放被新技术和异构技术所取代，新的物理设计方法进入了该领域。要成功地掌握这些挑战，需要对物理设计的基本方法、约束、接口和设计步骤有充分的了解。这就是《电子电路版图设计基础》的价值所在。
在第1章对通用电子设计进行了全面的基础学习之后，我们在第2章介绍了基本的工艺知识。这些知识为理解物理设计在当今成为如此复杂过程并具有多重约束和要求奠定了基础。第3章着眼于 “从外部”生成版图—它的接口是什么，我们如何以及为什么需要设计规则和外部库？第4章介绍了物理设计作为一个完整的端到端过程及其各种方法和模型。第5章接着深入到生成版图所涉及的各个步骤，包括其多种验证方法。第6章向读者介绍了模拟设计所需的独特的版图技术，第7章阐述了提高生成版图可靠性这一日益重要的主题。
《电子电路版图设计基础》是两位作者多年教学版图设计的成果，并结合了在进入学术界之前获得的工业经验。第1～7章结构合理，可以教授两个学期的版图/物理设计课程。为了在一个学期的课堂上使用，第1章（引言）和第2章（工艺）可以安排自学，教学从第3章（接口）开始，然后是设计方法（第4章）和设计步骤 （第5章）。或者第4章也可以作为一个有效的起点，随后是第5章的详细设计步骤，间歇性地扩展来自第3章中介绍的相应接口、设计规则和库中的材料。
一本领域及深度如此广泛的书需要许多人的支持。作者谨向所有帮助出版本书的人表示诚挚的感谢。我们要特别感谢Martin Forrestal，他在撰写正确的英文版手稿方面起到关键作用。特别感谢Mike Alexander博士，他在英文文本的编写过程中给予了极大的帮助。感谢他对本书主题知识的贡献。感谢Andreas Krinke博士、Kerstin Langner、Daniel Marolt博士、Frank Reifegerste博士、Matthias Schweikardt、Mathias Thiele博士、Yannick Uhlmann和Tobias Wolfer等的众多贡献。诚挚感谢Springer公司Petra Jantzen对我们的支持，即使不在她的职责范围内，她也协助解决了我们的请求。
未来几年，版图设计将继续快速发展，也许有这本不起眼的书的一些读者贡献了一点力量。作者总是感谢您对这个主题的未来发展的任何评论或想法，并祝您事业顺利。
随着科技的进步和摩尔定律的延续，如今我们可以制造比人类细胞更小的晶体管。我们还可以将数万亿个这样的晶体管集成在一个芯片中，并期望所有这些晶体管每秒同步开关数十亿次。计算机科学家和数学家的聪明才智，以及构建这些错综复杂富有创造力系统的工程师使这一工程壮举成为现实。在CAD程序中生成万亿晶体管电路的示意图非常困难，因为在物理设计过程中，要使电路在真正的硅中完美工作，这是我们当前面临的真正挑战。
近20年来，我一直在给计算机科学和电气工程专业的学生教授物理设计（版图级设计）课程。我一直不得不小心翼翼地走这条把理论教学和实践分开的紧绳。难点之一是找到一本在理论和实际设计之间得以平衡的教科书。一方面，当前和未来的工程师需要了解设计算法以及如何处理日益增加的晶体管；另一方面，他们需要知道如何制造 IC 以及由于晶体管尺寸不断缩小而存在的限制。为此推出了《电子电路版图设计基础》：它以实用的、面向应用的方式为每个版图工程师介绍了理论概念和技术知识。《电子电路版图设计基础》从硅材料和IC制造，以及如何处理硅材料以制造微电子器件和工作电路开始。然后，本书又回到了硅材料，原因是电路工作发生了变化。所有这些主题都以真实的案例呈现，并通过大量的演示来巩固这些概念。
《电子电路版图设计基础》能够将设计自动化的理论世界与电子电路版图生成的客观世界联系起来。《电子电路版图设计基础》侧重于集成电路（IC）的物理/版图设计，但也包括重要的印制电路板（PCB）。它带领读者经历一段从如何将硅转化为可靠器件的旅程，讨论了我们如何能够实现这样的工程壮举，以及在这一过程中的重要实际问题。然后，《电子电路版图设计基础》探讨了如何将这些庞大而复杂的物理结构最好地表示为数据以及如何将这些数据转换回物理结构。在进入模拟IC版图设计的特殊要求之前，通过探讨物理设计的模型、样式和步骤来全面了解这些设计是如何制作的。最后，《电子电路版图设计基础》讨论了扩展电路可靠性的实际考虑因素，360°无死角为设计者和工程师呈现了物理设计过程。
多年来，我通过Jens Lienig的工作和书籍而认识了他。在他的书中，他首先通过给出一个全景、举例和类比来吸引读者的注意力，从而使读者对即将到来的主题有直观的了解。只有这样，才能深入研究细节，提供设计高性能系统所需的知识深度。通过这种组合，读者能够理解材料、记住细节，并利用它们创造新的想法和概念。为此，加上他对读者的真诚关怀及其在领域的广博知识和实践经验，Lienig教授是撰写本书的理想人选，并且他找到了一位完美的搭档：Juergen Scheible，在设计商业化电路方面拥有丰富的理论和实践经验。他是德国博世（Bosch）集团集成电路版图部门的主管，他的丰富经验意味着他不仅负责包括智能电源芯片、传感电路和射频设计在内的一系列芯片的版图设计，还负责创造新的设计流程，以适应不断变化的技术。谈到设计，Scheible教授深谙多年工业经验所带来的所有窍门—在给定的工艺框架中绘制版图时必须考虑的众多规则和约束。这两位作者的经验和知识结合在一起，构建了一幅理论和实践的锦绣，因此，《电子电路版图设计基础》是每一位版图工程师的必读之书。
我很高兴能为《电子电路版图设计基础》撰写序言，不仅因为我对两位作者都非常尊敬，还因为我迫不及待地想用本书作为教材来教授物理设计。作者的专业知识及他们对理论和实践、全局和细节、例证和文本的关注，使本书成为学生和工程师的最佳资料。
Jens Lienig是德国德累斯顿工业大学机电与电子设计研究所所长。他获得了多芯片模块计算机辅助物理设计领域的博士学位，并受聘于弗吉尼亚大学夏洛茨维尔分校和康考迪亚大学蒙特利尔分校，担任研究员。之后，他在Tanner Research公司和Robert Bosch GmbH公司担任项目经理。
Juergen Scheible是德国罗伊特林根大学电子设计自动化的全职教授。他在德国卡尔斯鲁厄理工学院获得了电气工程博士学位。1992～2010年，他在德国Robert Bosch GmbH公司汽车电子部门工作。他是ASIC设计的高级工程师，担任集成电路和混合设计流程改进的项目经理，并担任EDA工具管理总监。他还是集成电路版图设计部门的负责人。
雷鑑铭，教授，博导，华中科技大学集成电路学院党委副书记、副院长。从事超大规模混合信号集成电路设计与工艺研究、嵌入式系统开发及相关专业教学工作。作为项目负责人的项目有国家重大专项（02专项）、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、航天科技创新基金和国际企业合作项目20余项；作为项目团队的主要成员先后承担并参与了国家自然科学基金、国家“863”计划项目、国家自然科学基金重点项目、湖北省科技攻关计划项目等20余项科学研究与开发项目；主持并参与省级及校级教改及教研项目7项。
21世纪以来，“后摩尔时代”持续推动电子电路，尤其是集成电路（IC）行业的创新与发展。电子电路版图设计是实现电子电路微纳制造所必不可少的设计环节，它不仅关系到电子电路的功能设计是否正确，而且也会严重影响电子电路的性能、成本与功耗。《电子电路版图设计基础》融合了作者多年教学电子电路版图设计的成果及在进入学术界之前获得的工业经验。为了将作者的20多年电子电路版图设计工程经验及思维方式传授给广大的电子电路版图设计工程师，在机械工业出版社的大力支持下，华中科技大学集成电路学院在电子电路设计领域长期从事一线科研及教学研究的教师们精心翻译了本书。
电子电路版图设计是一门技术，也是一门艺术，需要设计工程师具有电子电路原理和微纳制造工艺方面的基础知识，更需要设计工程师的空间想象力、创新思维和工程定力。需要设计工程师在项目经验及工程技术实践方面的积累。《电子电路版图设计基础》以面向工程应用的视角为每个版图设计工程师介绍了电子电路理论概念和工程技术知识，同时从半导体材料和电子电路微纳制造工艺开始，全流程介绍了微纳电子器件和集成电路与集成系统制造工艺。《电子电路版图设计基础》适合集成电路设计与集成系统、微电子科学与工程等集成电路科学与工程及电子科学与技术等学科领域的技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业领域研究生及高年级本科生的专业参考书。
《电子电路版图设计基础》由华中科技大学集成电路学院副院长雷鑑铭教授负责组织并完成主要翻译工作，参与本书翻译工作的还有华中科技大学集成电路学院及华中科技大学国家集成电路产教融合创新平台王真工程师。武汉工商学院人工智能学院李莉老师，华中科技大学硕士研究生欧阳阁、邝勇錡等对本书翻译工作也做出了重要贡献。本书在翻译过程中得到了华中科技大学集成电路学院邹雪城教授、刘冬生教授等诸多老师的帮助及支持，在此一并表示感谢。特别感谢文华学院外语学部英语系肖艳梅老师的审校。
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发表于 2024-6-26 15:03:49
