基于復用的數字集成電路設計關鍵技術

北京理工大學珠海學院 陳景國 田剛

近年來，隨著科技的飛速發展，信息產業已經成為當今社會經濟發展的重要支柱，它不僅帶來了豐厚的收益，而且還極大地推動了社會的進步。其中，集成電路的出現，使得它成為當今信息化工業的重要組成部分，被譽為“電子信息行業原油”。集成電路行業擁有多種復雜的因素，從知識、技術、資金到人才，使其成為當今信息產品制造業中投入最多的領域，同時也成為實現國家信息化發展的重要基礎。為了促進我國信息產業的發展，并為了改善國家的經濟狀況，提高人民的生活水平，加速發展集成電路產業是十分必要的。本文旨在探討集成電路技術的發展趨勢，并著重探討SoC 設計中的復用技術的運用及SoC 設計的挑戰，最后，運用數據挖掘的方法，從系統層面到基礎電路架構層面，深入探究復用的前提條件，最終達到集成電路設計的自動化。

根據摩爾定理的預測，集成電路制造技術的迅猛發展給電路設計帶來了前所未有的機遇與挑戰，從而促進了設計自動化的深入探索。隨著芯片集成度的不斷提高，以及工藝最小尺寸的不斷降低，數模混合設計、低功耗設計、可測性設計等技術都是確保設計成功的重要因素。

1 數字集成電路中的復用技術

自數字集成電路出現以來，復用技術便成為一種重要的數據傳輸方式，它利用多路信道的優勢，可以實現快速、準確的數據傳輸，并且具有廣泛的應用前景。隨著復用技術的發展，集成電路的規模發生了巨大的改變。復用技術在數字集成電路的設計中發揮了重要作用，它使得定制化的設計得以實現，并且可以通過重復使用RAM、ROM 等存儲單元，滿足不同尺寸的存儲需求，從而提高了系統的可靠性和可用性[1]。數字集成電路的開發需要大量的重復使用，例如，門電路和FPGA。這些方法不僅會導致成本高昂，還會延長項目的完成時間。此外，這些方法還能精確檢測設計理念的可行性。綜上所述，復用技術的運用為數字集成電路的設計提供了一種前所未有的可能，從而使其取得了重大的突破。SoC、SOPC、ASIP 等先進技術的不斷涌現，為數字集成電路的設計注入了新的動力。隨著科技的飛速進步，復用技術已經被廣泛應用于各行各業，為MCU 的多樣化和差異化提供了強有力的支持。經過數據分析，我們發現，當某些特定指令被反復使用的次數較多時，就可以將它們結合在一起，以確保硬件的完美匹配。經過精心編排，我們可以構建一個專門的指令集處理器（ASIP），它能夠有效地處理未經授權的指令，從而為數字集成電路的設計和開發提供強大的支持。

SOC 技術正成為數字集成電路設計的主流，它結合了軟硬件協同、IP 核復用、超深亞微米等多種技術，有效地克服了R&D 過程中的挑戰，并且能夠有效地利用多種設計手段達成預期的效果[2]。復用技術在數字集成電路設計中發揮著重要作用，通過使用復用技術，不僅能夠協調軟硬件設計，還能夠實現IP 核復用，甚至能夠實現超深亞微米設計，這些都給設計者帶來了新的挑戰和機會[3]。使用復用技術，能夠更好地理解數字集成電路的規律，并且能夠提高邏輯綜合、布圖、制造、測試和集成電路分析等環節的效率。盡管當前數字集成電路規律性提取技術尚未完善，但仍有巨大的潛力可以挖掘，并且可以通過開發相關的工具來實現，從而推動該領域的發展。

2 復用的數字集成電路設計關鍵技術

根據集成電路的設計流程，從晶體管到系統，從門到核心，我們可以深入探究其復用技術，以期達到最佳的性能。

2.1 基于復用技術SoC 設計

隨著SoC 技術的發展，它的高集成度和復雜度使得它在實際應用中面臨著越來越多的挑戰。隨著時代的發展，傳統的電路設計思維和方法已無法滿足當今的需求，因此，采用復用技術的應用顯得尤為重要。通過對設計中的功能、結構和方法進行深入挖掘，利用創新的手段，將其轉換成多種形態，進一步改善設計，以達到更好的性能。SoC 設計的復用技術對于整個芯片的設計過程至關重要，無論是從晶體管層面的數據收集，還是從門級的數據分析，復用技術都能為整個芯片的設計過程帶來極大的便利，大大提升了芯片的性能與可靠性。

2.2 晶體管級復用

隨著集成電路技術的快速進步，芯片的尺寸不斷擴大，但是晶體管的數量卻在迅速增長，這使得芯片的生產和測試成本大幅上漲，從而給芯片開發帶來了極大的經濟壓力。隨著技術的發展，版圖自動化分析已經成為芯片物理設計中必不可少的一環。通過采用先進的版圖分析技術，如DRC、LVS 等，可以有效地識別出晶體管級別的子電路，而對于集成電路的識別，則必須結合其內部的多個功能模塊，并精確定位其位置，從而更加準確地完成芯片的設計[4]。

2.3 門級復用

集成電路的結構由若干個復雜的抽象層組成，其中提取每個子電路的細節尤其重要。目前，許多成熟的算法已經被廣泛使用，并且已經被廣泛應用于實際的工程項目中。然而，提取細節的過程仍然存在挑戰，需要進行更深入的研究。但是，在芯片開發的“老大難”階段，如何有效地抽取出從基礎層面到高級功能模塊層面的子電路。子電路提取算法是集成電路的關鍵組成部分，它通過對電路的不同階段進行提取，實現對電路的優化。這種算法既考慮了電路的整體性，又考慮了電路的布局和綜合性，有效地降低了芯片的設計難度，提高了產品的質量。

2.4 系統級復用

采用IP 復用技術進行數字集成電路的設計優化，不僅可以大幅度改善其性能，而且還可以實現低功耗的優化，因此，它在SoC 設計中起到了至關重要的作用。盡管IP 復用技術的優點明顯，但它仍然存在一些不足之處。IP 的可伸縮性被極大地削弱，因為它僅僅可以在現有的基礎上進行調整、更新，而不可以根據實際情況進行調整、更換或者增加，從而導致開發一套新的IP 的時間和精力投入比開發一套新的IP 的成本更高[5]。因此，IP 的可伸縮性被極大的阻礙，從而影響了它的實際應用。

2.5 頻繁模式復用與集成電路分析

隨著SoC 設計的普及，數字集成電路的復用技術已經成為一種重要的研究方法。然而，目前集成電路的反向分析仍然依賴于人力，這種方法的自動化水平和數字化水平都相當有限，導致反向分析的效率和準確性都存在一定的問題，從而給集成電路的發展帶來一定的負面影響[6]。由于反向分析技術的日益普及，以及芯片尺寸的不斷增大，導致了成本的增加，這就要求我們更加重視數字進程電路的自動化設計，而這正是限制集成電路快速發展的主要原因。經過對門級數字集成電路的拓撲結構的全面探索，不僅可以更好地理解其中的等效結構，而且還可以熟練掌握等效功能提取算法，從而使得自動化的提取候選子電路變得更加容易。

3 復用技術在數字集成電路設計中的創新應用

隨著復用技術的普及，數字集成電路的設計也受到了極大的影響，因此，需要把數據挖掘的理念融入到集成電路的規律性提取當中，以克服傳統方法所面臨的挑戰。

3.1 構建接口電路的可定制可復用架構

基于CF 卡、MMC 卡等接口控制器的一般結構，可以按照一些有效的設計準則，將其組合成一個可重復利用的架構，從而大大提高系統的效率，同時也有助于節省資源。通過精心設計和參數化優化，不僅能夠滿足用戶的多樣化需求，還能夠顯著改善用戶的使用體驗，從而大幅提高系統的運行效率[7]。另外，為了更好地發揮IP 核的功能，還可以采取可定制、可復用的架構，以便用戶可以根據自身的需要，靈活運用其中的特權。

3.2 構建二同構電路提取模型

通過二同構模型，可以有效地克服傳統大規模集成電路中由于根節點尺寸太小而帶來的挑戰。通過使用此模型，可以有效地將模板生成和同構子電路提取分離開來，從而為多種門級集成電路提供一種統一的、高效的數字化表示方式，從而更好地實現規律性提取。通過采用二同構電路提取模型，可以顯著提高表征能力，其中，頻繁邊被視為模板的核心組成部分，這樣可以有效地減少不必要的操作，同時也極大地提升了設計的可重復利用性和靈活性。

3.3 構建數字集成電路頻繁模式的預提取方法

采用數據挖掘技術，我們構建了一個能夠有效地控制最低支持度閾值的規律性提取流程。該流程能夠有效地應對頻繁子電路的擴展，同時利用二同構模型對其進行數字化，有助于更快地獲得準確的結果，極大地提升了算法的運行效率[8]。通過采用該方法，能夠大幅度提升頻繁子電路的提取效率，并且取得了令人矚目的成果。

隨著科技的飛速發展，復用技術已成為數字集成電路設計的關鍵，尤其是在SoC 設計、系統級和基本電路結構的深入探索、集成電路逆向分析的自動化等領域，受到了越來越多的關注，為數字集成電路的發展提供了強有力的支撐。為了獲得更好的數字集成電路的表現，需要根據它的復雜性，在SoC 設計過程中，不斷尋找新的方法來解決實際問題，從而獲得更優的表現。隨著新一代技術的發展，為了實現集成電路規律性的自動化，必須有效地減少搜索空間，并且大幅提升算法的搜索效率。因此，需努力在提高搜索速度的同時，保證結果的準確性，以及促使復用技術在數字集成電路設計方面取得重大突破。

4 復用數字電路的未來發展趨勢

隨著技術的發展，規律性提取已經成為人類認識和利用大自然的重要工具，并且被廣泛應用于SoC 設計自動化實現，成為下一代EDA 工具開發的關鍵技術。雖然SoC 設計的規律性思維仍處于起步階段，但其在學術界和工業界的廣泛應用，使得芯片的產出率大大提高，并且能夠實現門級電路的自動化分析與整理[9]。采用規律性思維來指導SoC 設計，將會極大地改變EDA 行業，并且為新一代片上系統設計提供全新的視角、技術和工具。隨著科技的飛速發展，集成電路設計將面臨前所未有的挑戰，許多新的技術難題也將出現在我們面前，這些挑戰既是機遇，也是挑戰，它們將為設計自動化產業的發展提供強大的推動力，從而推動行業的發展和進步。

SoC 時代的到來，使得集成電路的規律性提取成為一項重要的技能，它對于整個系統的運作至關重要，無論是邏輯分析、布局設計、生產過程還是測試，都需要它的幫助。由于缺乏EDA 工具，使得門級數字集成電路規律性提取技術受到了嚴重的限制，這也導致了集成電路行業對這項技術的迫切需求，需要及時解決這一問題。隨著對集成電路規律性提取的日益緊迫的需求，過去十幾年來，科學家們不斷努力，在自動化領域取得了重要的突破，許多重要的技術難題也從理論上獲得了解答。雖然，目前還沒有一種EDA 軟件可以完美地涵蓋整個集成電路的設計過程，但是，由于集成電路行業的快速發展，為了確保產品的可靠性、經濟性和高質量，需要對電路的設計、繪圖、生產和檢驗過程進行更有效的控制，這就需要依靠EDA 技術和其他相關的設計理論。雖然近年來的研究仍未能完全解決當前的挑戰，但SoC 技術的進步和EDA 技術的普及，將為電子設計師、制造商和整個集成電路行業帶來巨大的變革，從而顯著提升他們的工作效率和產品質量[10]。因此，我們有理由相信，在未來，EDA 技術將發揮著越來越重要的作用。據預測，未來的EDA 系統將會更加自動化，其設計者將會更多地關注于概念的構建，而不再僅僅局限于科學家的研究和探索。這樣，在許多工程實踐中，EDA 系統就能夠更好地解決技術難題。

5 結語

未來幾十年，集成電路的生產技術將會迅猛發展，而集成電路的設計也會得到更大的改善。SoC 設計的自動化技術的研究將會成為科學家們和企業家們共同探討的重要課題。由于SoC 設計過程中存在質量低下、資源浪費以及成本昂貴的挑戰，因此，正反饋和反饋分析技術的發展以及對于集成電路的規律性的深入研究，將變得更加重要。

引用

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[10] 潘偉濤.基于復用的數字集成電路設計關鍵技術研究[D].西安:西安電子科技大學,2019.