[讨论] 什么是集成电路？

什么是集成电路？

　　集成电路是什么？就是电路板上的那些小黑块，有很多引脚，它的里面并不复杂，无非就是一些三极管组合在一起，仅此而已。

三极管的基本原理

　　首先我们要了解三极管的基本原理，三极管就是一条电流的通道，有一个电极控制这个通道的通和断，如果说三极管的基本原理用这样的比喻比较牵强附会的话，在设计三极管的版图时，它就非常的确切了，我们先画一条绿色的线条表示通道，再画一条横跨过通道的红色线条表示控制栅极，就象马路上的绿色的通道和警察掌握的红灯一样，绿色通道里的电流的通断，得看警察的脸色行事。不过在集成电路里通道不叫通道，而叫有源区，一个奇怪的名字，不过很好记，我们平时把半导体器件叫做有源器件，电阻电容叫无源器件，三极管是有源器件，因此只要记住和三极管有关的区域叫有源区就可以了。

　　由 N型或 P型半导体材料组成源极和漏极，在源极和漏极之间放一层多晶硅作为栅极，这就形成了一个 MOS三极管，多做几个这样的三极管，并把它们按要求连接起来，这就形成了集成电路。把许多三极管做在一起就是集成电路。
　　集成电路真的就是这么简单，请暂时不要问什么半导体为什么会导电之类目前被认为是无关紧要的问题，我们在这里探讨的是如何快速的学会设计集成电路，而不是半导体理论。

设计一个反相器管

　　我们知道三极管相当于一条通道，在这条通道上电流出发的那一端叫做源极，而电流到达的那一端叫做漏极，控制电流通断的那个电极叫做栅极，那么栅极需要带上什么样的电压才表示通道导通呢？一般情况下，栅极对源极的电压为0V时，表示关断，栅极上带 0.7V以上的电压时，表示导通，应该注意栅极电压是对源极而言的。
　　上述的 MOS三极管我们叫它 N型 MOS管，对应的，还有一种 P型 MOS 管， P型 MOS管的特性正好完全相反，电流从漏极出发到达源极，栅极带上比漏极低于0.7V以下的电压时， MOS管导通。

　　如果规定只能用一种类型的 MOS管，我们也能设计出集成电路来，想当初的半导体工艺只适合于做 N型一种类型的 MOS管，那时侯的集成电路大部分是NMOS集成电路，我们熟悉的早期的 Z80、8048等，都是用 NMOS工艺制造的。后来，发展了在同一个芯片上做两种不同类型 MOS管的工艺，叫做CMOS工艺，现在已是半导体行业的主流工艺。

　　N 管和 P管的版图设计并没有什么不一样，只要对其类型做一个标记就可以了，这个标记用来通知制造集成电路的人把这些管子做成某一类型的管子，在下图中我们把 P管用虚框圈起来作为标记。

设计一个简单集成电路

　　设计集成电路也很简单，不过就是把那些三极管连接起来，用什么来连接呢？总不至于用电烙铁和焊锡丝之类的方法吧？在集成电路里不用这种方法，用的是类似于双面线路板的方法，双面线路板上的过孔将线路板的两面连接了起来，在集成电路了也用了过孔，两层导电材料分别是铝和多晶硅，铝可以越过各种区域通到任何地方而不受限制，但多晶硅可不可以呢？好象可以，可是，的多晶硅越过有源区时，有源区变成了一个受多晶硅控制的电流通路：一个多余的三极管，这不是我们所希望的，所以，我们在这里增加一条规则：多晶硅不能跨越有源区。按这样的规则连接两各三极管，我们就设计了一个含有一个反相器的简单的集成电路。

　　在芯片的四周有四个焊接点，用来和外部电路进行连接，不过，在这里不叫焊接点，而叫压焊点，可能因工艺而得名。如果你到集成电路行业里把它叫成焊接点的话，会让别人目瞪口呆的。

　　我们不妨大胆的把集成电路设计技术和制造工艺用印刷来理解，当我们要印名片时，我们要先设计版面的排列，为一个商标图案苦思冥想，用彩色笔在草稿纸是画来画去，甚至出钱请搞美工的人来为这张名片进行设计。
　　设计的名片可能包含了好几种颜色，好多种字体，当设计方案送到引名片的小店后，将根据颜色的种类先做出版子来，然后就是用这些版子把各种颜色印到纸上，再然后就是把一大张纸剪切成一张一张的小名片，最后把这些名片装到小盒里，就等着用户来取货了。
　　印名片的小店老板只要会玩那些制版机、速印机之类的玩艺就可以了，基本上不用识多少字，小学程度即可，要求他必须懂得美术原理才发给操作证可以上岗，属于一种无理取闹的行为。
　　对设计名片的美工师傅的最大的要求是能够理解客户的要求，并且能够用版面的排列、字体的选择、颜色的搭配来表达客户的意图，我们完全没有必要要求美工师傅会做各种字体的铅字、读过大部头的《照相原理》、精通印刷机械。
　　相应地，我们对客户就应该只有一个要求：简单、明确的提出他的意图。
　　集成电路的情况也是这样，用户提出他的芯片具有的功能，设计的过程是将功能翻译成版图，制造的过程是用版图印刷出芯片。
　　印刷和芯片的惊人的类似之处是，美工师傅只要使用字库里的各种字体就可以了，没有必要自己亲自作出一个个的字体来；芯片设计师实际上也只要使用单元库里的单元就可以了。
　　印刷和芯片的另一个更惊人的类似之处是，当字库里没有某个特定的符号时，比如一个不常见的商标，美工师傅就要亲自做出这个符号来；芯片设计师有时也会遇到库里没有的单元，他也需要亲自画出这个单元的版图来。

设计一个振荡器芯片的版图

　　如果你觉得不过瘾，你可以设计一个更复杂一点的集成电路如下图，它是个振荡器的版图，你给它接上一个电阻、一个电容、一个发光二极管，再接上电源，你就可以看到发光二极管一闪一闪的发起光来。
　　集成电路版图设计差不多就这点事了，没有什么花样。

　　你可能发现最右边的反相器比较大一点，这是为了有较大的驱动能力以使发光二极管有较高的亮度。另一个应该注意的问题是尽量让比较大的电流在铝导电层里流动，铝的导电性能比多晶硅好很多，这一点和双面线路板有点不同，双面线路板两面的导电性能一样好。

版图设计

现在，你了解了一点版图设计了，如果你再了解得更多一点的话，你就会发现你满怀热情的希望学会的版图设计，其实只是一种大人玩的七巧板而已，只是没有小孩玩的七巧板好玩，也没有那么复杂和变化多端。
　　现在，人各有志，你想把这块七巧板玩出点花样来的话，可以，在这里有大把朋友愿意陪你一起玩；或者你想起了你到这里来的初衷，想要把你的那个电路做成集成电路，那你暂时就别玩七巧板了，想办法尽快的完成你的芯片设计吧。
　　假如你原来用分立元件设计的电路里用到了许多标准的集成电路，有反相器，与非门、Ｄ触发器，计数器、甚至包含了一个液晶显示驱动模块等等，按理说你要设计这些单元的版图，这可不是件轻松的活，日复一日，月复一月，非把你画得痴痴傻傻，呆若木鸡不可，你原来设计一个高性能电路的满腔热情在这里没有用处，你火花般迸发的电路设计灵感对版图设计也一样没有帮助，画版图要的是拼七巧板的技巧。
　　当你累死累活的干了三个月之后，才发现已经开始种第二季稻的农民伯伯也没有这么辛苦。由此推算，做一个版图库的工作量约等于种两季稻的工作量。做一个芯片设计师不如种田实在。

　　不过即使让你干画版图的活你也不用害怕，电脑上高科技的最奇妙的特点在于它的劳动竟然可以重复使用，第一次做单元图库要用两个月的时间，到了第二次做图库时，你可以把第一次图库拷贝过来，修修改改，有两个星期的时间也就可以了，这就是电脑里 COPY 的绝妙之处。真奇怪为什么不把这种电脑科技推广到农业科技上去，要是农民伯伯也采用这些技术的话，他只要专心种好一亩田就可以了，然后跨嗒跨嗒地拷贝它个十万八千亩，于是站在一望无际金黄色田头，看着晨曦下巍巍壮观的麦浪翻滚，就很难控制住“身在田头，胸怀世界”的感觉了。
　　幸好农民伯伯还没有还没有掌握这门技术，不然实在要叫我们这些搞芯片设计的家伙无地自容了，但我们还十应该抓紧时间，在目前芯片比种田暂时领先的优势下，做出比农民伯伯更多的贡献来。

　　但现在情况不一样了，在这里，有现成的单元版图供你使用，这些单元版图放在一个库里，里面品种繁多，差不多包含的你可能用到的全部品种，不要以为这是什么“演示版”，这是很多芯片设计师正在使用的工作库，你现在要干的活已经不是什么版图设计，而是要干一些类似于你以前经常干的活：给双面线路板布线。
　　有了单元图库，你就可以进行正常的设计工作，你用以前常用的方法画线路图，然后用相应的元件把它们连接起来，以前一个没有经验的电路设计师往往会按过时的教科书设计电路，结果采购员往往抱怨采购不到元件，甚至要到 Intel的公司历史陈列室才能看到样品。现在的电路设计师一般都比较关心原器件的供应情况，这条经验在这里同样适用，你应该在设计之前先熟悉单元图库的情况，以免画出了线路图却没有单元可供使用。

　　芯片设计用到的单元图库中的内容和市面上 CMOS 4000系列或 TTL 74 系列的内容毕竟还是有一点差异的，比如常用的JK触发器，在单元图库就找不到，（或许以后会有热心人补上这个单元），因为在ASIC设计中，没有必要使用 JK触发器，使用它后会在分析电路时造成混乱。你可以很快的适应这些差异，甚至在你通读了一遍单元图库的介绍之后就有胸有成竹的感觉了。

　　我再次提醒你：你到这里来，是为了设计出集成电路来，而不是研究版图设计技术，如果你是初学者，你设计的版图大概不会比库里面已有的版图更好吧？所以暂时了解一点版图设计就可以了，不要深究，采用现成的单元图库加双面布线技术，尽快的完成你的集成电路吧。如果你遇到的图库里面没有的单元，也不要慌张，请到这里来，问一声，说不定会有那位老手会帮你画一个的，不过，应该是一些比较通用的单元，你别问什么１６位Ａ／Ｄ转换器、照相机的控制电路这样的单元，要是这样的话，还不如你睡大觉，让别人免费给你设计算了。
　　说实在的，伟大而又神秘的集成电路版图设计，并不比小孩玩的七巧板复杂多少，下面的触发器的版图，差不多是版图库中最复杂的一个版图，但也就这么样了，没什么大不了的，我不认为你掌握不了它，我只是认为你暂时没有必要掌握它。

电路设计

　　最奇妙、最神奇的还是你原来做惯的电路设计，可以玩出很多花样，我以前曾工作过的单位，有一台火车头那么大的塑料机，突然有一天趴下了，这台机器一天做出产品的产值50多万，利润好几万，这可把老板给急得熊似的团团乱转，动员了全部机械和塑料的精英，香港的技师也于第二天赶到，可是，会诊的结果是无可奈何。第三天，冒出个懂点电子的家伙，他从一个破收音机里拆了一个电阻，装到机器上一试，那庞大的塑料机居然就此起死回生，当在场的人了解到这个神奇的元件的价值只有人民币两分钱时，全体同时作目瞪口呆状。
　　到这里来的都是电路设计的行家，我想也用不着解释一个电阻是如何修好塑料机的，太简单太平常的事了，但电路设计的最大的趣味就在于此：一个极其简单的小技巧，会引发起社会上的一番大事出来。你应该在电路设计上淋漓尽致的发挥你的聪明才智，而不要拘泥于是不是采用了公共单元图库。
　　当然集成电路设计和你以前的设计是有点不同，这里说其中的一个特点：有大量的三极管供你使用，而电阻电容却很麻烦。
　　或者这样吧：你就当是一场考试，考试的题目是设计一个电路，不许使用电阻电容，但可以无限量的使用三极管，可能你一开始不习惯，觉得浪费了很多三极管，可是只要多做几次，你就会适应这种浪费的设计法的，不要为你的浪费而内疚，其实即使是芯片设计专家，也是这么做的。
　　电路设计也就是画出你所需要的电路图来，然后推理你的电路图，看看是不是正确，需不需要改进。在这里，我建议你采用 workview 软件和这里提供的电路图库进行设计，采用 workview 的话它会帮你做推理，在这里叫仿真，它会把电路工作时的波形显示给你看，非常直观。这里不但提供版图库给你使用，还提供相关联的电路图库，采用这里的电路图库可以简化你的设计工作，库中有很多实用的单元电路，比如十进制计数器，甚至动态的液晶显示器驱动电路等，你只要拿来用就可以了，如果你自行设计一个动态的液晶显示器驱动电路，不是说你不会，而是没有必要干这些重复烦琐的劳动，你应该集中精力完成你的整体设计，那才是你的特长。你可以把你在设计中找到的一些诀窍和技巧公开出来，作为自由资源添加到图库中去，让以后的设计者也能享受你的劳动果实。
　　这世界上有两种资源，一种实资源，就象石油，越用越少；另一种是虚资源，就象脑力，奇怪的是这种虚资源竟然是一种越用越多的资源，世界真奇妙，无奇不有，如果我们发动全民来开发虚资源，那么用不了多久，我们就会成为一个资源大国，我们就能象拍苍蝇那样容易的消灭美帝国主义和一切反动派。说笑而已，其实我不想让我的世界观带有民族主义的色彩，任何民族的文化我都有兴趣。什么“国富民强”，对我的感觉就象山沟沟里的农民希望多养几个儿子可以不受邻居的欺负那样，是一种跟愚昧无知很有瓜葛的意识。我们开发虚资源，是为了迎接未知的人类的明天的到来。我们不知道明天会怎样，但知道明天不会象今天预想的那样。

　　搞电路设计在我看来实在有投机取巧的嫌疑，我无意贬低各位同行，但在我见到的许多事例中，一个会修修半导体的电子爱好者往往比机械本科生还吃香，一个家用电器项目的开发人员组成中，有电子的、有机械的、如果你参加过几个这样的开发组，你就会理解如下的结论：搞电子的工作量小，老在一些局部问题上翻花样，不顾全大局，经常返工惹麻烦，但容易得到老板的好感；搞机械的工作量大，要全面综合的的考虑整机的协调问题，可悲的是总是不讨好。在老板的眼光里，好象搞机械的没什么大不了，不就是拿个铅笔那么画两下而已，而搞电子的就不一样了，那东西神秘，两分钱就可以让火车头那么大的机器动起来。
　　如果你有学机械的朋友，你就会了解机械不是谁都可以画那么简单的，单看机械的那些课程，就能了解机械知识远比电子知识复杂、严谨得多，在一个家用电器比如冰箱或是洗衣机里，机械占了大部分工作，而电子只不过是在机械的基础上玩的一些花样而已，什么定时、警报之类，全是花样。机械设计牵涉了严谨广泛的知识，而电子的知识，说不定从什么《电子小制作 200例》之类的杂书上就可以得到。
　　不少老板的重电子轻机械的观念其实是不对的，或许你可以拿一支铅笔画出零件的图纸来，可是你能算出这个零件能承受多大的压力吗？你知道你画的零件在什么样的情况下会发生谐振吗？发生谐振后又会对整机造成多大的伤害吗？如果你想了解这些情况，你就非得花几年时间啃几本《机械原理》、《材料力学》、《····》等不可。而神秘的电子技术，到是在街上买几本杂书就可以学会的，不要以为开玩笑，其实我们这些搞电子的家伙最知道电子的底细。
　　你有没有听说过业余机械爱好者？或者是业余材料力学爱好者？应该说有，但很少，以至于要举个例子都困难。

　　在我们的周围有大把的业余无线电爱好者，业余电子爱好者，这是为什么呢？这说明电子电路的几个特点：很容易入门，另一个更大的特点是你只要学会一点点，你就可以发挥你的聪明才智，进行卓有成效的电路设计。
　　由此展开来，我们不禁要问：有没有业余集成电路设计爱好者？

　　我留意了多时，想知道究竟有没有业余集成电路设计爱好者，可是到目前还没有找到，这使我很纳闷，心中不免嘀咕：难道我是中国业余集成电路设计爱好者第一人？

　　做一个业余的集成电路设计爱好者在以前可能是天方夜谈，让人听了的感觉就象听到有业余洲际导弹爱好者一样。但是时代不同了，造就业余集成电路设计师的外部条件已经具备了，只是这些条件来得太快了，以至于我们来不及反应过来。我们听说的集成电路，好象都是要上千万美圆的投资，可是，当我们今天早上从梦中醒来时，花上几千元人民币就可以让芯片工厂把我们自己设计的集成电路给做出来了。
 

芯片设计

　　完成了电路设计后，就可以开始考虑整个的芯片设计了。如果你的芯片不大，你可以用双面线路板布线的方法设计你的芯片，用一些专用的软件如 LEDIT等进行设计，先把用到的单元放到版面上，然后用铝和多晶硅进行布线。如果你的芯片略微大一点，这将是一项艰苦的工作，
　　如果芯片更大一点，我们可以用电脑来进行自动布线，实际上我们主要考虑的实现布局布线的手段应该是自动布线，
　　有很多的软件可以进行优良的自动布线，如cadence,mento graph, 然而软件价格不菲，动辄２０万美圆的大有人在。
　　价格低一点而性能还不错的软件也不少，
　　甚至连免费的软件也有，在这里自由软件库里，有一套 Alliance，它的布线性能就很不错，其实用它来布线真有点大材小用，它是一套具有更强大功能的集成电路设计工具，我们暂且就事论事，讨论它的布线工具，它的布线器很不错，有很好的优化能力，它使用的库的描述方法有点不同，但和其他软件的描述方法也大同小异，我们可以编一段小程序进行转换。和其他软件相比有很大的不同的是它接收的线路图的描述格式，竟然用的是Ｃ语言源程序的格式，幸好是源程序格式，这就给编写转换程序的编写提供了一定的方便， workview中有一个专用的数据库操作程序viewdate，应该可以完成这项工作。
　　我们可以设想远程布线，以前宫敏先生举过一个例子，说的是新疆的芯片设计师可以通过连网来运行安装在上海主机上的珍贵的设计软件，就是这个意思。
　　在进一步，甚至可以为系统编写一些自动的功能，它自动的接收用户用email形式发来的线路板文件，交给布线软件布完线后再通过email 把结果发回给用户，这样就可以充分发挥高档软件的效率，而又不侵犯版权。有这些高档软件又有 email服务器的单位可以提供这项免费或收费的服务。

设计检查

　　集成电路的设计好象并不复杂，而对设计好的版图进行一次检查，就不是那么容易的了，我敢打赌，一个１万管子的版图，你花１０年的时间也检查不完。但这世界真奇妙，越是困难的事情，反而变得容易了。现在有很多软件可以帮你检查，你只要学会利用这些软件就可以了。我的意思是，劝你不要尝试用人工的方法来检查一个略微大一点的版图，人的脑子是用来创造的，用它来做一些重复烦琐的工作，不但效率低下，更麻烦的是会惹出许多意想不到的错误来。
　　真正实用的版图检查软件还是比较少的，Dracula 是其中的佼佼者，在没有找到廉价实用的检查软件之前，我们可以考虑通过 email的委托检查，让有Dracula软件的单位帮助做检查工作。如果文件的格式规范，或许我可以说服一些单位用他们机器的空闲时间来为你服务。

外部支持

　　最有效，最传统的支持来自于书籍。你应该收集这方面的书籍。
　　新闻组、邮件列表、以及 email都可以廉价快速地从外界向你提供技术支持，这也是internet的好处之一。通过网络得到的支持在大部分时间是非常有效的，但它不是肯定和明确的，因为没有任何人承担必须帮助你的义务，他们热心的帮助你的最起码的条件是必须有空才行。
　　你要学会利用外界对你的支持，这些支持不是出于义务，而是出于热心，你不要滥用这些热情，在提出问题前，请多花一点精力研究一下你的问题，然后确切的提出你的问题。当以后有其他人问到类似的问题时，你也应该热心的出来回答，介绍你解决问题的经验。
　　获得肯定和明确的帮助的方法是，你可以在你的附近找一家集成电路设计公司，以一定的代价获得这些帮助。我在最初学习设计集成电路时，采用的方法是将项目委托给设计公司做，并要求他们把设计过程告诉我，好让我有一个模仿的对象。

ASIC和 PGP邮件列表介绍

　　邮递列表是一种类似于新闻组的交流方式，由一群志同道合者组成，它比新闻组更便宜、更有针对性。参加了一个邮递列表后，你就可以经常收到别人寄给这个邮递列表的各种信息，你可以对各种问题发表你的看法，也可以提出新的建议、新的观念、或是提出你遇到的困难，以得到别人的帮助。最难能可贵的是所有的操作都可以在免费的email帐户上通过email 进行。
　　发出订阅申请信后很快您就会收到一封确认信，直接回复此信，您就加入了邮件列表，以后，您就可以向这两个邮递列表投递稿件、参与讨论、寻求帮助、或是发表您想发表的任何高见，仅要求尽量围绕主题，以照顾其他成员的兴趣所在。
　　通过下面的表格你可以投递、加入或是退出邮递列表。请注意使用同一个email 帐号进行操作，在操作过程中如果遇到麻烦，请给我写信，让我从服务器上帮您完成。查看已经存档的文件需要上Internet网才能进行。