数字IC设计流程介绍

一颗芯片从无到有，从有需求到最终应用，经历的是一个漫长的过程，作为人类科技巅峰之一的芯片，凝聚了人们的智慧，而芯片产业链也是极其复杂的，在此，我大致把它归为四个部分（市场需求--芯片设计--芯片制造--测试封装）。

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市场需求

这个无需多讲，目前芯片应用已经渗透到我们生活的方方面面，早晨上班骑的共享单车，到公司刷的IC卡，工作时偷偷地打游戏，手机卡了还要换更快的手机，可以说IC的市场需求一直都在。

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芯片设计

芯片设计又可以分为两部分，芯片前端设计和芯片后端设计，整体流程如下图：

芯片前端设计

前端设计也就是从输入需求到输出网表的过程：主要分为以下几个步骤：

RTL设计

验证

静态时序分析

覆盖率

ASIC逻辑综合

时序分析和验证时出现的错误可能需要反复重做前面几步才能解决，是一个多次迭代优化的过程。

下面我来仔细介绍一下这六个步骤。

1、RTL设计

在设计之前我们先要确定芯片的工艺，比如是选择TSMC还是SMIC，是7nm，还是5nm，而工艺的选择也是受很多因素的制约（如下图），而芯片工艺的选择，就是对这些因素的权衡。

IC设计的第一步就是制定Spec，这个步骤就像是在设计建筑前，要先画好图纸一样，在确定好所有的功能之后在进行设计，这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类似的步骤，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。

而用RTL实现的各种功能模块，来组成一个实现具体功能的IP，SOC芯片最终由SOC integration工程师把各个IP集成到一起。

IP又分为模拟IP和数字IP，大概可以做如下的分类：

在芯片功能设计完备后，我们还要做可测性设计DFT（Design For Test）。

RTL设计最后要做的就是代码的设计规则检查。

通过lint, Spyglass等工具，针对电路进行设计规则检查，包括代码编写风格，DFT，命名规则和电路综合相关规则等。

2、验证

验证是保证芯片功能正确性和完整性最重要的一环。验证的工作量也是占整个芯片开发周期的50%-70%，相应的，验证工程师与设计工程师的数量大概在2-3:1。

从验证的层次可以分位：模块级验证，子系统级验证和系统级验证。

从验证的途径可以分为：模拟（simulation），仿真和形式验证（formality check）。

3、静态时序分析（STA）

静态时序分析是套用特定的时序模型（timing model）,针对特定电路，分析其是否违反designer给定的时序限制（timing constraint）。

目前主流的STA工具是synopsys的Prime Time。

静态时序分析的作用：

1. 确定芯片最高工作频率

通过时序分析可以控制工程的综合、映射、布局布线等环节，减少延迟，从而尽可能提高工作频率。

2. 检查时序约束是否满足

可以通过时序分析来查看目标模块是否满足约束，如不满足，可以定位到不满足约束的部分，并给出具体原因，进一步修改程序直至满足要求。

3. 分析时钟质量

时钟存在抖动、偏移、占空比失真等不可避免的缺陷。通过时序分析可以验证其对目标模块的影响。

4、覆盖率

覆盖率作为一种判断验证充分性的手段，已成为验证工作的主导。从目标上，可以把覆盖率分为两类：

代码覆盖率

作用：检查代码是否冗余，设计要点是否遍历完全。

检查对象：RTL代码

功能覆盖率

作用：检查功能是否遍历

检查对象：自定义的container

在设计完成时，要进行代码覆盖率充分性的sign-off, 对于覆盖率未达到100%的情况，要给出合理的解释，保证不影响芯片的工能。

5、ASIC综合

逻辑综合的结果就是把设计实现的RTL代码翻译成门级网表（netlist）的过程。

在做综合时要设定约束条件，如电路面积、时序要求等目标参数。

工具：synopsys的Design compiler, 综合后把网表交给后端。

至此，前端的设计工作就结束啦！

芯片后端设计

后端设计也就是从输入网表到输出GDSII文件的过程：主要分为以下六个步骤：

1. 逻辑综合

2. 形式验证

3. 物理实现

4. 时钟树综合-CTS

5. 寄生参数提取

6. 版图物理验证

1.逻辑综合

在前端最后一步已经讲过了，在此不做赘述。

2. 形式验证

1）验证芯片功能的一致性

2）不验证电路本身的正确性

3）每次电路改变后都需验证

形式验证的意义在于保障芯片设计的一致性，一般在逻辑综合，布局布线完成后必须做。

工具：synopsys Formality

3. 物理实现

物理实现可以分为三个部分:

布局规划 floor plan

布局 place

布线 route

1、布图规划floor plan

布图规划是整个后端流程中作重要的一步，但也是弹性最大的一步。因为没有标准的最佳方案，但又有很多细节需要考量。

布局布线的目标：优化芯片的面积，时序收敛，稳定，方便走线。

工具：IC compiler，Encounter

布图规划完成效果图：

2、布局

布局即摆放标准单元，I/O pad，宏单元来实现个电路逻辑。

布局目标：利用率越高越好，总线长越短越好，时序越快越好。

但利用率越高，布线就越困难；总线长越长，时序就越慢。因此要做到以上三个参数的最佳平衡。

布局完成效果图：

3、布线

布线是指在满足工艺规则和布线层数限制、线宽、线间距限制和各线网可靠绝缘的电性能约束条件下，根据电路的连接关系，将各单元和I/O pad用互连线连接起来。

4.时钟树综合——CTS
Clock Tree Synthesis，时钟树综合，简单点说就是时钟的布线。

由于时钟信号在数字芯片的全局指挥作用，它的分布应该是对称式的连到各个寄存器单元，从而使时钟从同一个时钟源到达各个寄存器时，时钟延迟差异最小。这也是为什么时钟信号需要单独布线的原因。

5. 寄生参数提取
由于导线本身存在的电阻，相邻导线之间的互感,耦合电容在芯片内部会产生信号噪声，串扰和反射。这些效应会产生信号完整性问题，导致信号电压波动和变化，如果严重就会导致信号失真错误。提取寄生参数进行再次的分析验证，分析信号完整性问题是非常重要的。

工具Synopsys的Star-RCXT

6. 版图物理验证

这一环节是对完成布线的物理版图进行功能和时序上的验证，大概包含以下方面：

LVS（Layout Vs Schematic）验证：简单说，就是版图与逻辑综合后的门级电路图的对比验证；

DRC（Design Rule Checking）：设计规则检查，检查连线间距，连线宽度等是否满足工艺要求；

ERC（Electrical Rule Checking）：电气规则检查，检查短路和开路等电气规则违例；

实际的后端流程还包括电路功耗分析，以及随着制造工艺不断进步产生的DFM（可制造性设计）问题等。

物理版图以GDSII的文件格式交给芯片代工厂（称为Foundry）在晶圆硅片上做出实际的电路。

最后进行封装和测试，就得到了我们实际看见的芯片。

芯片设计的流程是纷繁复杂的，从设计到流片耗时长（一年甚至更久），流片成本高，一旦发现问题还要迭代之前的某些过程。