數(shù)字IC設(shè)計(jì)流程中為什么要做門(mén)級(jí)仿真？

門(mén)級(jí)仿真（gate levelsimulation）也稱(chēng)之為后仿真，是數(shù)字IC設(shè)計(jì)流程中的一個(gè)重要步驟。

在講解門(mén)級(jí)仿真作用之前，我們先簡(jiǎn)單來(lái)看一下數(shù)字后端的流程：

在步驟1中，會(huì)插入DFT，生成post_DFT的網(wǎng)表netlist；在步驟2中會(huì)根據(jù)CPF/UPF插入isolation，生成post_ISO的網(wǎng)表；步驟3進(jìn)行后端PR，會(huì)插入clock tree以及power switch等，生成最終的post_PR的網(wǎng)表。

理論上每次生成新的netlist都需要重新跑門(mén)級(jí)仿真，保證功能級(jí)仿真的正確。門(mén)級(jí)仿真的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)很大，尤其對(duì)于規(guī)模稍大的芯片，跑完一個(gè)case經(jīng)常需要幾天的時(shí)間。

有人會(huì)問(wèn)，綜合之后都會(huì)做formal和STA，來(lái)保證網(wǎng)表的一致性和timing沒(méi)有violation。那為什么還要做如此耗時(shí)耗力的門(mén)級(jí)仿真的。下面我們就來(lái)羅列一下門(mén)級(jí)仿真的主要作用和重點(diǎn)。

1 雙重保險(xiǎn)

不論是在步驟1，2，3中，插入不同的東西之后，都會(huì)改變?cè)瓉?lái)的netlist，雖然會(huì)做一致性檢查，但是還是需要進(jìn)行功能性的門(mén)級(jí)仿真，以保證網(wǎng)表的正確性。

2 STA檢查不到的timing問(wèn)題

STA可以檢查大多數(shù)的timing violation，但是也有力所不及的地方。比如：

（1）異步模塊和端口的timingcheck，這一塊，有很多公司其實(shí)是會(huì)做類(lèi)似CDC的flow來(lái)保證異步timing的，但是在門(mén)級(jí)仿真中能更直觀直接的反映出來(lái)。

（2）STA中constraint加的不足，這類(lèi)情況，在analog model的情況中體現(xiàn)的非常明顯。

比如下圖的這個(gè)情況，信號(hào)ABC是analogmode的三根輸入信號(hào)，因?yàn)樵赗TL仿真中，A/B/C三根信號(hào)都是同時(shí)toggle的，信號(hào)進(jìn)入analog的mode之后，不會(huì)出現(xiàn)仿真的問(wèn)題。但是在后仿中，A/B/C三根信號(hào)必然不是同時(shí)toggle的，這樣的信號(hào)，傳入ananlogmode中就可能出現(xiàn)仿真的錯(cuò)誤。

上面這種問(wèn)題的解決方案是：

詳細(xì)了解analogmode的需求，然后寫(xiě)出完善的constraints給做綜合和STA。但是這些constraint總歸不是100%完善的，很多時(shí)候就需要后仿來(lái)報(bào)錯(cuò)發(fā)現(xiàn)。

3 X態(tài)傳播的debug

這個(gè)是門(mén)級(jí)仿真中最重要的工作之一，就是排除芯片中所有X態(tài)傳播而造成的功能問(wèn)題。

有人不是很理解X態(tài)的傳播，我們先簡(jiǎn)單解釋一下：

if(a==1) b=1;

else b=0;

如上面這段簡(jiǎn)單的代碼，如果a=X態(tài)，在RTL仿真中，是不會(huì)傳播出去的，因?yàn)闀?huì)走else這條通路，從而b=0；但是在門(mén)級(jí)仿真中，當(dāng)a=X時(shí)，b就會(huì)=X，從而X態(tài)會(huì)一級(jí)一級(jí)傳播下去。

X態(tài)的傳播，有些是無(wú)所謂的，有些就會(huì)影響到芯片的正常工作，尤其是在controlpath上的X態(tài)傳播。而這些都只能依靠門(mén)級(jí)仿真來(lái)發(fā)現(xiàn)了。

當(dāng)然，有很多大公司，在RTL仿真的時(shí)候，就會(huì)加入X態(tài)的模擬仿真，能提前盡早的發(fā)現(xiàn)這類(lèi)問(wèn)題。

4 驗(yàn)證初始化reset流程的正確性

實(shí)際芯片在剛上電的時(shí)候，理論上大多數(shù)信號(hào)都是在不確定態(tài)X態(tài)的，需要經(jīng)過(guò)reset流程來(lái)進(jìn)行初始化。而只有在門(mén)級(jí)仿真中，才能更加真實(shí)充分的反應(yīng)reset流程的正確性。

5 power評(píng)估

門(mén)級(jí)仿真中還有一個(gè)重要作用就是用來(lái)進(jìn)行power估計(jì)，因?yàn)閚etlist尤其是post_PR的網(wǎng)表能更加真實(shí)的接近實(shí)際的芯片，提供的power評(píng)估值就越有參考價(jià)值。

一般會(huì)創(chuàng)建一個(gè)toggle rate最高的case來(lái)跑門(mén)級(jí)仿真，從而生成IR-DROP需要的VCD文件。

6 ISO值的驗(yàn)證

低功耗設(shè)計(jì)在芯片設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要，大多數(shù)芯片都會(huì)采取低功耗設(shè)計(jì)，在后端的實(shí)現(xiàn)中就需要插入isolation來(lái)保持一些信號(hào)在掉電狀態(tài)下的值。而ISO值為0還是為1，是直接參考CPF/UPF文件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而CPF/UPF文件很多時(shí)候是直接通過(guò)review得到的。

萬(wàn)一在CPF/UPF中寫(xiě)錯(cuò)了，在門(mén)級(jí)仿真中就可以抓出類(lèi)似的bug。

7 Power switch的驗(yàn)證

同樣在low power設(shè)計(jì)中，powerswitchchain也是很重要的一環(huán)，而這個(gè)只有在post_PR的網(wǎng)表中才會(huì)真正插入。

以上只是簡(jiǎn)單羅列了一下門(mén)級(jí)仿真的作用，具體的門(mén)級(jí)仿真的操作細(xì)節(jié)和注意事項(xiàng)會(huì)在后續(xù)的文章中慢慢道來(lái)。這篇文章比較適合有一定工作經(jīng)驗(yàn)但剛開(kāi)始做門(mén)級(jí)仿真的朋友們，有什么問(wèn)題，歡迎大家留言一起交流~

審核編輯：湯梓紅