如何去實現(xiàn)一種數(shù)字IC的設(shè)計？

一、IC 定義

IC就是半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱，IC按功能可分為：數(shù)字IC、模擬IC、微波IC及其他IC。數(shù)字IC就是傳遞、加工、處理數(shù)字信號的IC，是近年來應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的IC品種，可分為通用數(shù)字IC和專用數(shù)字IC。

通用IC：是指那些用戶多、使用領(lǐng)域廣泛、標(biāo)準(zhǔn)型的電路，如存儲器（DRAM）、微處理器（MPU）及微控制器（MCU）等，反映了數(shù)字IC的現(xiàn)狀和水平。

專用IC（ASIC）：是指為特定的用戶、某種專門或特別的用途而設(shè)計的電路。

集成電路產(chǎn)品有以下幾種設(shè)計、生產(chǎn)、銷售模式。

1．IC制造商（IDM）自行設(shè)計，由自己的生產(chǎn)線加工、封裝，測試后的成品芯片自行銷售。

2．IC設(shè)計公司（Fabless）與標(biāo)準(zhǔn)工藝加工線（Foundry）相結(jié)合的方式。設(shè)計公司將所設(shè)計芯片最終的物理版圖交給Foundry加工制造，同樣，封裝測試也委托專業(yè)廠家完成，最后的成品芯片作為IC設(shè)計公司的產(chǎn)品而自行銷售。

二、芯片各個節(jié)點分工

全球晶圓片廠排名前五依次是 臺積電（TSMC）、格羅方德、聯(lián)電、三星、中芯國際（SMI）.

三、數(shù)字IC設(shè)計全流程

四、IC Design

前端設(shè)計 ：

4.1 SPEC擬寫

（1）工藝的選定 ；（2）詳細(xì)feature描述 （3）模塊劃分、IP選型；

（4）架構(gòu)規(guī)劃 ；（5）時鐘域、時鐘結(jié)構(gòu)規(guī)劃；（6）電源域、低功耗規(guī)劃

（7）地址空間分配；（7）IO選定與分配；

4.2 RTL 邏輯設(shè)計

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現(xiàn)，也就是將實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）代碼。

前端邏輯設(shè)計時也需要注意PPA（Performance、Power、Area）性能、功耗、面積平衡。需要特別關(guān)注面積和速度互換原則（串并轉(zhuǎn)換和并串轉(zhuǎn)換、乒乓操作、流水線設(shè)計）和低功耗設(shè)計方法（門控時鐘clock_gatinng、資源共享、采用獨熱碼多路器）等等，做到這些才能算是比較好的設(shè)計。

涉及到代碼檢查，使用工具vcs/verdi 把一般的錯誤和警告消除掉，還有一些隱藏比較深的錯誤和警告就要使用spyglass 進(jìn)行l(wèi)int/cdc檢查。

物理實現(xiàn) ：

4.3 邏輯綜合、DFT

綜合：仿真驗證通過后，進(jìn)行邏輯綜合，一般由后端工程師完成，但是時序的迭代需要與前端工程師配合。需要的文件：RTL代碼+約束文件+庫文件（.db）；使用的工具是Design Compiler。邏輯綜合的結(jié)果就是把設(shè)計實現(xiàn)的HDL代碼翻譯成門級網(wǎng)表netlist。

DFT：Design For Test 可測試性設(shè)計，一般由前端工程師集成DFT邏輯。DFT通過插入 DFT 邏輯，比如Scan Chain（寄存器）、MBist（片上存儲器）、Boundary Scan（IO）等，然后利用 ATPG、MBist、Boundary Scan 工具產(chǎn)生測試向量，仿真驗證測試向量。目的為了檢測到芯片量產(chǎn)過程中出現(xiàn)的帶有各種制造缺陷的片子，從而為顧客提供性能更穩(wěn)定的產(chǎn)品，降低DPPM(每百萬芯片缺陷數(shù)量)，從而為公司產(chǎn)品保證良好的口碑。

4.4 布局&布線、CTS

布局規(guī)劃(Floorplan）直接影響芯片的面積，布線需要考慮擁塞情況，而且由于線延時的存在，在PR時一般時序比單純邏輯綜合要差一些。

CTS ：clock tree synthesis 時鐘樹綜合，目的是要時鐘到各個寄存器單元延時差異最小。

4.5 靜態(tài)時序分析（STA）

主要是通過檢查建立時間和保持時間是否滿足要求，其目的是通過遍歷所有的傳輸路徑，尋找所有的組合邏輯電路的最壞延遲情況（以及毛刺、時鐘偏差等等），也被稱為關(guān)鍵路徑。涉及到的時序分析路徑有:寄存器到寄存器：Reg2Reg；寄存器到輸出引腳：Reg2Pin；

輸入引腳到寄存器：Pin2Reg；輸入引腳到輸出引腳：Pin2Pin. 此外，在芯片設(shè)計中我們還會經(jīng)常見到reg2mem和mem2reg 時序違例報告。

時序分析只能驗證同步時序電路的時序特性，不能自動識別設(shè)計中的特殊路徑，如多周期路徑（Multi-Cycle Path）、非正常路徑（False Path）、多時鐘分配（Multiple Path）。如果設(shè)計中含有較多的異步電路，我們一般把異步路徑設(shè)置為max_delay進(jìn)行約束。

4.6 形式驗證

它是從功能上（STA是時序上）對綜合后的網(wǎng)表進(jìn)行驗證。常用的就是等價性檢查方法，以功能驗證后的HDL設(shè)計為參考，對比綜合后的網(wǎng)表功能，他們是否在功能上存在等價性。這樣做是為了保證在邏輯綜合過程中沒有改變原先HDL描述的電路功能。形式驗證工具有Synopsys的Formality。

4.7 TapeOut

在流片之前，為提高良率和解決物理規(guī)則違規(guī)還要做些DRC/LVS的工作；芯片設(shè)計階段完成之后，把輸出的物理版圖GDS文件->芯片代工廠->晶體硅->做出實際電路->封裝和測試->芯片。

功能驗證：

4.8 驗證環(huán)境

如下圖所示，其中，Scoreboard主要用于比較reference model與DUT輸出是否一致，并給出比較結(jié)果Reference model和DUT是對SPEC的兩個獨立的實現(xiàn)。當(dāng)ref model和DUT行為不一致時，或者dut錯，或者ref model錯，或者兩者都錯，debug就好。Stimulus激勵，需覆蓋DUT不同的工作場景以及可能出現(xiàn)的異常情況。Monitor 做一些中間狀態(tài)監(jiān)控或者計數(shù)。

4.9 驗證方式

驗證方式包含兩種：白盒驗證和黑盒驗證

白盒指的是驗證對象(DUT)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是完全可見的，我們可以清楚的看到設(shè)計的詳細(xì)內(nèi)容，白盒驗證的好處是我們可以了解設(shè)計者的意圖，并且驗證可以達(dá)到設(shè)計上的每一點，但這需要花費(fèi)更長的時間。

灰盒指的是驗證對象（DUT）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只有一部分是可見的，黑盒驗證則DUT內(nèi)部完全不可見，我們只能看到設(shè)計的輸入接口和輸出接口，對黑盒驗證，我們只能通過了解其設(shè)計文檔來了解它的功能。

4.10 驗證語言和驗證方法學(xué)

驗證語言：Verilog 、SystemVerilog、Assertion、SystemC、Perl、Makefile

驗證方法學(xué) ：UVM 、OVM、VMM

4.11 驗證覆蓋率

代碼覆蓋率（Code Coverage）：Line coverage /Condition coverage 、

Branch coverage /Toggle coverage /FSM coverage

功能覆蓋率（Function Coverage）：uassertion

4.12 后仿真

? 門級延遲

– Sdf延遲文件加載

– 與RTL不一致

? X 態(tài)傳播

– 異步時序電路產(chǎn)生X態(tài)

– 增加debug難度

– 控制X態(tài)傳播

? PG網(wǎng)表門級仿真

– 低功耗仿真

4.13 FPGA驗證

ASIC 代碼移植

– PLL/IO/MEM/STDCELL替換

– 時鐘產(chǎn)生邏輯去除

– 時鐘頻率、時鐘關(guān)系調(diào)整

– 設(shè)計裁剪partition

? 代碼FPGA實現(xiàn)

– 時序約束

– 時序檢查

? FPGA調(diào)試、驗證

4.14 仿真加速器驗證

Cadence – Palladium

– CPU based

? Synopsys – ZeBu

– FPGA based

? Mentor – Veloce

– FPGA based

4.15 驗證方式比較

一般在代碼開發(fā)過程中，以下驗證方式一般是逐級遞進(jìn)的，后期同時進(jìn)行回歸驗證，由于FPGA驗證和仿真加速器都是降頻模式下驗證下，一些時序問題也是驗證不出來的。但是兩者好處在于仿真速度快，容易驗出一些在長時間運(yùn)行累積的錯誤，因此，一般需要長時間拷機(jī)測試。

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