一文讀懂什么是數(shù)字 IC 設(shè)計(jì)

什么是數(shù)字 IC 設(shè)計(jì)？

數(shù)字 IC 設(shè)計(jì)是一個(gè)程序過(guò)程，涉及將規(guī)格和功能轉(zhuǎn)換為數(shù)字塊，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為邏輯電路。許多與數(shù)字 IC 設(shè)計(jì)相關(guān)的限制來(lái)自代工工藝和技術(shù)限制。

設(shè)計(jì)技能和獨(dú)創(chuàng)性是數(shù)字 IC 設(shè)計(jì)的更高級(jí)別階段以及確保設(shè)計(jì)盡可能高效地滿足規(guī)范的系統(tǒng)和流程開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

1、綜合與驗(yàn)證：硬件描述語(yǔ)言與功能驗(yàn)證

在數(shù)字設(shè)計(jì)的早期階段開(kāi)發(fā)的具有行為描述的數(shù)字模塊需要轉(zhuǎn)換為硬件描述語(yǔ)言 (HDL)，例如 Verilog 或 VHDL。這個(gè)階段通常被稱為寄存器傳輸級(jí) (RTL) 階段，它通常包括功能驗(yàn)證，以確保邏輯實(shí)現(xiàn)符合高層規(guī)范。

(a) HDL 代碼示例和 (b) 它描述的電路

在這一步之后，硬件描述然后被轉(zhuǎn)換成門級(jí)網(wǎng)表，在此期間可以嘗試各種實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化例程以更好地滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。此階段的重要考慮因素包括功率預(yù)算、速度、占地面積和可靠性。

2、物理 IC 布局：布局規(guī)劃和 IP 核

經(jīng)過(guò)綜合驗(yàn)證后，門級(jí)網(wǎng)表轉(zhuǎn)化為物理版圖，即IC的層級(jí)和物理結(jié)構(gòu)的幾何表示。布局規(guī)劃方法用于確保整個(gè) IC 中的塊和焊盤布局符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

由于某些數(shù)字模塊（例如存儲(chǔ)器和寄存器）的結(jié)構(gòu)化和重復(fù)性，部分?jǐn)?shù)字 IC 布局通常使用腳本和自動(dòng)化軟件流程完成。外部 IP 核也在此階段放置，其中軟件僅顯示 IP 的必要接口部分。在放置所有塊和門之后——以及手動(dòng)布線，如有必要——布線自動(dòng)化腳本和軟件用于連接每個(gè)元素。

3、驗(yàn)證和模擬：流片和測(cè)試

然后執(zhí)行驗(yàn)證和模擬，兩者都必須考慮布局的布局和物理特征。如果成功，結(jié)果是一個(gè)輸出文件，例如 GDSII (GDS2)，代工廠使用內(nèi)部軟件和流程來(lái)制造 IC，即流片階段。在某些情況下，代工廠會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，然后需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)糾正/確認(rèn)。

M00/81/D4/wKgZomQSf8WAMkDRABZ936qOS4A939.jpg) 布局和布線后的芯片布局。圖片由 Cadence Design Systems 提供。

流片后，會(huì)生產(chǎn)小批量的首次運(yùn)行或原型 IC，以便進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)生產(chǎn) IC 的性能和經(jīng)濟(jì)性，此測(cè)試可能會(huì)導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)或工藝更改。

數(shù)字集成電路抽象級(jí)別

1. 行為的
2. 寄存器傳輸級(jí) (RTL)
3. 功能性
4. 門
5. 晶體管
6. 物理布局

數(shù)字 IC 設(shè)計(jì)流程

• 以下列表概述了數(shù)字 IC 設(shè)計(jì)流程中的步驟，包括子步驟：
• 設(shè)計(jì)規(guī)范
  • 規(guī)格
  • 約束
  • 測(cè)試臺(tái)開(kāi)發(fā)
• 高級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  • 設(shè)計(jì)分區(qū)
  • 入門 Verilog 行為建模
  • 模擬/功能驗(yàn)證
  • 集成與驗(yàn)證
• 邏輯綜合
  • 寄存器傳輸級(jí) (RTL) 轉(zhuǎn)換為網(wǎng)表
  • 設(shè)計(jì)劃分為物理塊
  • 時(shí)序裕量和時(shí)序約束
  • RTL和門級(jí)網(wǎng)表驗(yàn)證
  • 靜態(tài)時(shí)序分析
• 平面規(guī)劃
  • 分層 IC 塊放置
  • 電源和時(shí)鐘規(guī)劃
• 合成
  • 時(shí)序約束和優(yōu)化
  • 靜態(tài)時(shí)序分析
  • 更新展示位置
  • 更新電源和時(shí)鐘規(guī)劃
• 塊級(jí)布局
  • 完整的塊布局和布線
• IC 級(jí)布局
  • 所有模塊的IC集成
  • 單元格放置
  • 掃描鏈/時(shí)鐘樹(shù)插入
  • 信元路由
  • 物理和電氣設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 (DRC)
  • 布局與原理圖 (LVS)
  • 寄生提取
  • 布局后時(shí)序驗(yàn)證
  • GDSII 創(chuàng)建
  • 流片