基于复用的数字集成电路设计关键技术

北京理工大学珠海学院 陈景国 田刚

近年来，随着科技的飞速发展，信息产业已经成为当今社会经济发展的重要支柱，它不仅带来了丰厚的收益，而且还极大地推动了社会的进步。其中，集成电路的出现，使得它成为当今信息化工业的重要组成部分，被誉为“电子信息行业原油”。集成电路行业拥有多种复杂的因素，从知识、技术、资金到人才，使其成为当今信息产品制造业中投入最多的领域，同时也成为实现国家信息化发展的重要基础。为了促进我国信息产业的发展，并为了改善国家的经济状况，提高人民的生活水平，加速发展集成电路产业是十分必要的。本文旨在探讨集成电路技术的发展趋势，并着重探讨SoC 设计中的复用技术的运用及SoC 设计的挑战，最后，运用数据挖掘的方法，从系统层面到基础电路架构层面，深入探究复用的前提条件，最终达到集成电路设计的自动化。

根据摩尔定理的预测，集成电路制造技术的迅猛发展给电路设计带来了前所未有的机遇与挑战，从而促进了设计自动化的深入探索。随着芯片集成度的不断提高，以及工艺最小尺寸的不断降低，数模混合设计、低功耗设计、可测性设计等技术都是确保设计成功的重要因素。

1 数字集成电路中的复用技术

自数字集成电路出现以来，复用技术便成为一种重要的数据传输方式，它利用多路信道的优势，可以实现快速、准确的数据传输，并且具有广泛的应用前景。随着复用技术的发展，集成电路的规模发生了巨大的改变。复用技术在数字集成电路的设计中发挥了重要作用，它使得定制化的设计得以实现，并且可以通过重复使用RAM、ROM 等存储单元，满足不同尺寸的存储需求，从而提高了系统的可靠性和可用性[1]。数字集成电路的开发需要大量的重复使用，例如，门电路和FPGA。这些方法不仅会导致成本高昂，还会延长项目的完成时间。此外，这些方法还能精确检测设计理念的可行性。综上所述，复用技术的运用为数字集成电路的设计提供了一种前所未有的可能，从而使其取得了重大的突破。SoC、SOPC、ASIP 等先进技术的不断涌现，为数字集成电路的设计注入了新的动力。随着科技的飞速进步，复用技术已经被广泛应用于各行各业，为MCU 的多样化和差异化提供了强有力的支持。经过数据分析，我们发现，当某些特定指令被反复使用的次数较多时，就可以将它们结合在一起，以确保硬件的完美匹配。经过精心编排，我们可以构建一个专门的指令集处理器（ASIP），它能够有效地处理未经授权的指令，从而为数字集成电路的设计和开发提供强大的支持。

SOC 技术正成为数字集成电路设计的主流，它结合了软硬件协同、IP 核复用、超深亚微米等多种技术，有效地克服了R&D 过程中的挑战，并且能够有效地利用多种设计手段达成预期的效果[2]。复用技术在数字集成电路设计中发挥着重要作用，通过使用复用技术，不仅能够协调软硬件设计，还能够实现IP 核复用，甚至能够实现超深亚微米设计，这些都给设计者带来了新的挑战和机会[3]。使用复用技术，能够更好地理解数字集成电路的规律，并且能够提高逻辑综合、布图、制造、测试和集成电路分析等环节的效率。尽管当前数字集成电路规律性提取技术尚未完善，但仍有巨大的潜力可以挖掘，并且可以通过开发相关的工具来实现，从而推动该领域的发展。

2 复用的数字集成电路设计关键技术

根据集成电路的设计流程，从晶体管到系统，从门到核心，我们可以深入探究其复用技术，以期达到最佳的性能。

2.1 基于复用技术SoC 设计

随着SoC 技术的发展，它的高集成度和复杂度使得它在实际应用中面临着越来越多的挑战。随着时代的发展，传统的电路设计思维和方法已无法满足当今的需求，因此，采用复用技术的应用显得尤为重要。通过对设计中的功能、结构和方法进行深入挖掘，利用创新的手段，将其转换成多种形态，进一步改善设计，以达到更好的性能。SoC 设计的复用技术对于整个芯片的设计过程至关重要，无论是从晶体管层面的数据收集，还是从门级的数据分析，复用技术都能为整个芯片的设计过程带来极大的便利，大大提升了芯片的性能与可靠性。

2.2 晶体管级复用

随着集成电路技术的快速进步，芯片的尺寸不断扩大，但是晶体管的数量却在迅速增长，这使得芯片的生产和测试成本大幅上涨，从而给芯片开发带来了极大的经济压力。随着技术的发展，版图自动化分析已经成为芯片物理设计中必不可少的一环。通过采用先进的版图分析技术，如DRC、LVS 等，可以有效地识别出晶体管级别的子电路，而对于集成电路的识别，则必须结合其内部的多个功能模块，并精确定位其位置，从而更加准确地完成芯片的设计[4]。

2.3 门级复用

集成电路的结构由若干个复杂的抽象层组成，其中提取每个子电路的细节尤其重要。目前，许多成熟的算法已经被广泛使用，并且已经被广泛应用于实际的工程项目中。然而，提取细节的过程仍然存在挑战，需要进行更深入的研究。但是，在芯片开发的“老大难”阶段，如何有效地抽取出从基础层面到高级功能模块层面的子电路。子电路提取算法是集成电路的关键组成部分，它通过对电路的不同阶段进行提取，实现对电路的优化。这种算法既考虑了电路的整体性，又考虑了电路的布局和综合性，有效地降低了芯片的设计难度，提高了产品的质量。

2.4 系统级复用

采用IP 复用技术进行数字集成电路的设计优化，不仅可以大幅度改善其性能，而且还可以实现低功耗的优化，因此，它在SoC 设计中起到了至关重要的作用。尽管IP 复用技术的优点明显，但它仍然存在一些不足之处。IP 的可伸缩性被极大地削弱，因为它仅仅可以在现有的基础上进行调整、更新，而不可以根据实际情况进行调整、更换或者增加，从而导致开发一套新的IP 的时间和精力投入比开发一套新的IP 的成本更高[5]。因此，IP 的可伸缩性被极大的阻碍，从而影响了它的实际应用。

2.5 频繁模式复用与集成电路分析

随着SoC 设计的普及，数字集成电路的复用技术已经成为一种重要的研究方法。然而，目前集成电路的反向分析仍然依赖于人力，这种方法的自动化水平和数字化水平都相当有限，导致反向分析的效率和准确性都存在一定的问题，从而给集成电路的发展带来一定的负面影响[6]。由于反向分析技术的日益普及，以及芯片尺寸的不断增大，导致了成本的增加，这就要求我们更加重视数字进程电路的自动化设计，而这正是限制集成电路快速发展的主要原因。经过对门级数字集成电路的拓扑结构的全面探索，不仅可以更好地理解其中的等效结构，而且还可以熟练掌握等效功能提取算法，从而使得自动化的提取候选子电路变得更加容易。

3 复用技术在数字集成电路设计中的创新应用

随着复用技术的普及，数字集成电路的设计也受到了极大的影响，因此，需要把数据挖掘的理念融入到集成电路的规律性提取当中，以克服传统方法所面临的挑战。

3.1 构建接口电路的可定制可复用架构

基于CF 卡、MMC 卡等接口控制器的一般结构，可以按照一些有效的设计准则，将其组合成一个可重复利用的架构，从而大大提高系统的效率，同时也有助于节省资源。通过精心设计和参数化优化，不仅能够满足用户的多样化需求，还能够显著改善用户的使用体验，从而大幅提高系统的运行效率[7]。另外，为了更好地发挥IP 核的功能，还可以采取可定制、可复用的架构，以便用户可以根据自身的需要，灵活运用其中的特权。

3.2 构建二同构电路提取模型

通过二同构模型，可以有效地克服传统大规模集成电路中由于根节点尺寸太小而带来的挑战。通过使用此模型，可以有效地将模板生成和同构子电路提取分离开来，从而为多种门级集成电路提供一种统一的、高效的数字化表示方式，从而更好地实现规律性提取。通过采用二同构电路提取模型，可以显著提高表征能力，其中，频繁边被视为模板的核心组成部分，这样可以有效地减少不必要的操作，同时也极大地提升了设计的可重复利用性和灵活性。

3.3 构建数字集成电路频繁模式的预提取方法

采用数据挖掘技术，我们构建了一个能够有效地控制最低支持度阈值的规律性提取流程。该流程能够有效地应对频繁子电路的扩展，同时利用二同构模型对其进行数字化，有助于更快地获得准确的结果，极大地提升了算法的运行效率[8]。通过采用该方法，能够大幅度提升频繁子电路的提取效率，并且取得了令人瞩目的成果。

随着科技的飞速发展，复用技术已成为数字集成电路设计的关键，尤其是在SoC 设计、系统级和基本电路结构的深入探索、集成电路逆向分析的自动化等领域，受到了越来越多的关注，为数字集成电路的发展提供了强有力的支撑。为了获得更好的数字集成电路的表现，需要根据它的复杂性，在SoC 设计过程中，不断寻找新的方法来解决实际问题，从而获得更优的表现。随着新一代技术的发展，为了实现集成电路规律性的自动化，必须有效地减少搜索空间，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时，保证结果的准确性，以及促使复用技术在数字集成电路设计方面取得重大突破。

4 复用数字电路的未来发展趋势

随着技术的发展，规律性提取已经成为人类认识和利用大自然的重要工具，并且被广泛应用于SoC 设计自动化实现，成为下一代EDA 工具开发的关键技术。虽然SoC 设计的规律性思维仍处于起步阶段，但其在学术界和工业界的广泛应用，使得芯片的产出率大大提高，并且能够实现门级电路的自动化分析与整理[9]。采用规律性思维来指导SoC 设计，将会极大地改变EDA 行业，并且为新一代片上系统设计提供全新的视角、技术和工具。随着科技的飞速发展，集成电路设计将面临前所未有的挑战，许多新的技术难题也将出现在我们面前，这些挑战既是机遇，也是挑战，它们将为设计自动化产业的发展提供强大的推动力，从而推动行业的发展和进步。

SoC 时代的到来，使得集成电路的规律性提取成为一项重要的技能，它对于整个系统的运作至关重要，无论是逻辑分析、布局设计、生产过程还是测试，都需要它的帮助。由于缺乏EDA 工具，使得门级数字集成电路规律性提取技术受到了严重的限制，这也导致了集成电路行业对这项技术的迫切需求，需要及时解决这一问题。随着对集成电路规律性提取的日益紧迫的需求，过去十几年来，科学家们不断努力，在自动化领域取得了重要的突破，许多重要的技术难题也从理论上获得了解答。虽然，目前还没有一种EDA 软件可以完美地涵盖整个集成电路的设计过程，但是，由于集成电路行业的快速发展，为了确保产品的可靠性、经济性和高质量，需要对电路的设计、绘图、生产和检验过程进行更有效的控制，这就需要依靠EDA 技术和其他相关的设计理论。虽然近年来的研究仍未能完全解决当前的挑战，但SoC 技术的进步和EDA 技术的普及，将为电子设计师、制造商和整个集成电路行业带来巨大的变革，从而显著提升他们的工作效率和产品质量[10]。因此，我们有理由相信，在未来，EDA 技术将发挥着越来越重要的作用。据预测，未来的EDA 系统将会更加自动化，其设计者将会更多地关注于概念的构建，而不再仅仅局限于科学家的研究和探索。这样，在许多工程实践中，EDA 系统就能够更好地解决技术难题。

5 结语

未来几十年，集成电路的生产技术将会迅猛发展，而集成电路的设计也会得到更大的改善。SoC 设计的自动化技术的研究将会成为科学家们和企业家们共同探讨的重要课题。由于SoC 设计过程中存在质量低下、资源浪费以及成本昂贵的挑战，因此，正反馈和反馈分析技术的发展以及对于集成电路的规律性的深入研究，将变得更加重要。

引用

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[5] 张辉,李丹,王海军,等.81dBFS信噪比的低功耗四通道16位125Msps流水线型模数转换器设计[J].集成电路应用,2022,39(3):16-17.

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[7] 周星宇.专用集成电路芯片上的载波恢复算法设计与实现[J].数学的实践与认识,2021,51(23):107-111.

[8] 陆俊峰.基于复用的数字集成电路设计关键技术研究[J].电子技术与软件工程,2020(22):41-42.

[9] 汪鹏君.节能型数字集成电路设计关键技术研发[D].宁波:宁波大学,2019.

[10] 潘伟涛.基于复用的数字集成电路设计关键技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2019.