芯片設(shè)計(jì)包含哪些內(nèi)容 芯片設(shè)計(jì)流程詳解

芯片設(shè)計(jì)分為前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)，前端設(shè)計(jì)（也稱邏輯設(shè)計(jì)）和后端設(shè)計(jì)（也稱物理設(shè)計(jì)）并沒有統(tǒng)一嚴(yán)格的界限，涉及到與工藝有關(guān)的設(shè)計(jì)就是后端設(shè)計(jì)。

1、規(guī)格制定

芯片規(guī)格，也就像功能列表一樣，是客戶向芯片設(shè)計(jì)公司（稱為Fabless，無晶圓設(shè)計(jì)公司）提出的設(shè)計(jì)要求，包括芯片需要達(dá)到的具體功能和性能方面的要求。

2、詳細(xì)設(shè)計(jì)

Fabless根據(jù)客戶提出的規(guī)格要求，拿出設(shè)計(jì)解決方案和具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，劃分模塊功能。

3、HDL編碼

使用硬件描述語言（VHDL，Verilog HDL，業(yè)界公司一般都是使用后者）將模塊功能以代碼來描述實(shí)現(xiàn)，也就是將實(shí)際的硬件電路功能通過HDL語言描述出來，形成RTL（寄存器傳輸級(jí)）代碼。

4、仿真驗(yàn)證

仿真驗(yàn)證就是檢驗(yàn)編碼設(shè)計(jì)的正確性，檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)就是第一步制定的規(guī)格。看設(shè)計(jì)是否精確地滿足了規(guī)格中的所有要求 。規(guī)格是設(shè)計(jì)正確與否的黃金標(biāo)準(zhǔn)，一切違反，不符合規(guī)格要求的，就需要重新修改設(shè)計(jì)和編碼。設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證是反復(fù)迭代的過程，直到驗(yàn)證結(jié)果顯示完全符合規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。

5、邏輯綜合――Design Compiler

仿真驗(yàn)證通過，進(jìn)行邏輯綜合。邏輯綜合的結(jié)果就是把設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的HDL代碼翻譯成門級(jí)網(wǎng)表netlist。綜合需要設(shè)定約束條件，就是你希望綜合出來的電路在面積，時(shí)序等目標(biāo)參數(shù)上達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。 邏輯綜合需要基于特定的綜合庫，不同的庫中，門電路基本標(biāo)準(zhǔn)單元（standard cell）的面積，時(shí)序參數(shù)是不一樣的。所以，選用的綜合庫不一樣，綜合出來的電路在時(shí)序，面積上是有差異的。一般來說，綜合完成后需要再次做仿真驗(yàn)證（這個(gè)也稱為后仿真，之前的稱為前仿真）。

邏輯綜合工具Synopsys的Design Compiler。

6、STA

Static Timing Analysis（STA），靜態(tài)時(shí)序分析，這也屬于驗(yàn)證范疇，它主要是 在時(shí)序上對(duì)電路進(jìn)行驗(yàn)證，檢查電路是否存在建立時(shí)間（setup time）和保持時(shí)間（hold time）的違例（violation）。這個(gè)是數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)，一個(gè)寄存器出現(xiàn)這兩個(gè)時(shí)序違例時(shí)，是沒有辦法正確采樣數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的，所以以寄存器為基礎(chǔ)的數(shù)字芯片功能肯定會(huì)出現(xiàn)問題。

STA工具有Synopsys的Prime Time。

7、形式驗(yàn)證

這也是驗(yàn)證范疇，它是從功能上（STA是時(shí)序上）對(duì)綜合后的網(wǎng)表進(jìn)行驗(yàn)證。 常用的就是等價(jià)性檢查方法，以功能驗(yàn)證后的HDL設(shè)計(jì)為參考，對(duì)比綜合后的網(wǎng)表功能，他們是否在功能上存在等價(jià)性。這樣做是為了保證在邏輯綜合過程中沒有改變?cè)菻DL描述的電路功能。

形式驗(yàn)證工具有Synopsys的Formality。

從設(shè)計(jì)程度上來講，前端設(shè)計(jì)的結(jié)果就是得到了芯片的門級(jí)網(wǎng)表電路。

Backend design flow ：

1、DFT

Design For Test，可測(cè)性設(shè)計(jì)。芯片內(nèi)部往往都自帶測(cè)試電路，DFT的目的就是在設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮將來的測(cè)試。DFT的常見方法就是，在設(shè)計(jì)中插入掃描鏈，將非掃描單元（如寄存器）變?yōu)閽呙鑶卧?。關(guān)于DFT，有些書上有詳細(xì)介紹，對(duì)照?qǐng)D片就好理解一點(diǎn)。

DFT工具Synopsys的DFT Compiler

2、布局規(guī)劃(FloorPlan)

布局規(guī)劃就是 放置芯片的宏單元模塊，在總體上確定各種功能電路的擺放位置，如IP模塊，RAM，I/O引腳等等。布局規(guī)劃能直接影響芯片最終的面積。

工具為Synopsys的Astro

3、CTS

Clock Tree Synthesis， 時(shí)鐘樹綜合，簡單點(diǎn)說就是時(shí)鐘的布線。 由于時(shí)鐘信號(hào)在數(shù)字芯片的全局指揮作用，它的分布應(yīng)該是對(duì)稱式的連到各個(gè)寄存器單元，從而使時(shí)鐘從同一個(gè)時(shí)鐘源到達(dá)各個(gè)寄存器時(shí)，時(shí)鐘延遲差異最小。這也是為什么時(shí)鐘信號(hào)需要單獨(dú)布線的原因。

CTS工具有Synopsys的Physical Compiler。

4、布線(Place & Route)

這里的布線就是 普通信號(hào)布線了，包括各種標(biāo)準(zhǔn)單元（基本邏輯門電路）之間的走線。比如我們平常聽到的0.13um工藝，或者說90nm工藝，實(shí)際上就是這里金屬布線可以達(dá)到的最小寬度，從微觀上看就是MOS管的溝道長度。

工具有Synopsys的Astro。

5、寄生參數(shù)提取

由于導(dǎo)線本身存在的電阻，相鄰導(dǎo)線之間的互感,耦合電容在芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生信號(hào)噪聲，串?dāng)_和反射。這些效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題，導(dǎo)致信號(hào)電壓波動(dòng)和變化，如果嚴(yán)重就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真錯(cuò)誤。 提取寄生參數(shù)進(jìn)行再次的分析驗(yàn)證，分析信號(hào)完整性問題是非常重要的。

工具Synopsys的Star-RCXT。

6、版圖物理驗(yàn)證

對(duì)完成布線的物理版圖進(jìn)行功能和時(shí)序上的驗(yàn)證，驗(yàn)證項(xiàng)目很多，如LVS（Layout Vs Schematic）驗(yàn)證，簡單說，就是版圖與邏輯綜合后的門級(jí)電路圖的對(duì)比驗(yàn)證；DRC（Design Rule Checking）：設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，檢查連線間距，連線寬度等是否滿足工藝要求， ERC（Electrical Rule Checking）：電氣規(guī)則檢查，檢查短路和開路等電氣 規(guī)則違例；等等。

工具為Synopsys的Hercules。

實(shí)際的后端流程還包括電路功耗分析，以及隨著制造工藝不斷進(jìn)步產(chǎn)生的DFM（可制造性設(shè)計(jì)）問題，在此不贅述了。

物理版圖驗(yàn)證完成也就是整個(gè)芯片設(shè)計(jì)階段完成，下面的就是芯片制造了。物理版圖以GDS II的文件格式交給芯片代工廠（稱為Foundry）在晶圓硅片上做出實(shí)際的電路，再進(jìn)行封裝和測(cè)試，就得到了我們實(shí)際看見的芯片。

來源：半導(dǎo)體封裝工程師之家

審核編輯：湯梓紅