IC后端概述（上）

本節(jié)開始簡單介紹后端流程。后面會以實際例程說明后端的基本操作。

簡單來說后端就是將RTL變?yōu)镚DS版圖，再交由晶圓廠（TSMC臺積電和SMIC中芯國際）生產(chǎn)制造。大多數(shù)IC設(shè)計公司都是fabless公司，做到GDS這一步就OK。

GDS：Geometry Data Standard。它是描述電路版圖的一種格式：包括晶體管大小，數(shù)量，物理位置和尺寸信息，連接線的物理尺寸和位置信息等等。晶體管+連接線組成龐大的電路邏輯。一般GDS可通過calibre，virtuoso，laker等查看。

GDS交由晶圓廠后，在一片wafer上切割成多個小塊，每塊為一個Die，就是芯片的最小核心。

真實的芯片結(jié)構(gòu)如下圖所示。最底層是晶體管結(jié)構(gòu)，晶體管接口和連接線的接觸部分叫Contact。Contact上面是Metal金屬層，金屬層就是連接線，密密麻麻的晶體管很多，因此連線分了好幾層才能走通，一層的連接線要穿到其它層就需要打過孔（Via），就像搭積木一樣實現(xiàn)整個電路。每層連線之間都插有Isolator隔離。

至于電路的具體制作過程如下所示。特殊頻譜的光可以蝕刻電路，通過掩膜（mask），照射在wafer上，wafer涂有光刻膠，被照射的地方被腐蝕，剩下的部分形成電路。

流片成本很高，絕大部分是Mask（掩膜）的費用，Die面積XMask數(shù)就是主要的流片成本。

從RTL到GDS版圖，要遵守以下要求，符合要求的GDS才能拿去流片

后端第一步是將RTL+SDC約束轉(zhuǎn)換為網(wǎng)表，該步驟通過綜合實現(xiàn)。通常工具會先將RTL轉(zhuǎn)換為GTECH格式，然后再將GTECH轉(zhuǎn)換為工藝庫中的標(biāo)準(zhǔn)單元。整體來看是分兩步走。轉(zhuǎn)換為門級網(wǎng)表的過程中，綜合工具會對RTL進(jìn)行修改和優(yōu)化，這些修改記錄保存在svf文件。svf文件在后面的FM形式驗證中會被使用。轉(zhuǎn)換后的Netlist要滿足設(shè)置的約束（包括時序，面積，功耗）。此外邏輯綜合要滿足sdc約束下的setup timing，不需要理會hold timing。常用的工具有synopsys的Design Compiler和cadence的RTL Compiler。邏輯綜合涉及時序問題，延遲計算使用線負(fù)載模型（RC寄生參數(shù)）因為綜合還沒有涉及到布局布線，因此timing通常是不準(zhǔn)的。下圖給出了delay延遲的計算。

線延遲的計算通過長度衡量，長度越長RC值越大，扇出能力越弱。綜合工具吐出Netlist網(wǎng)表后，需要進(jìn)行FM形式驗證，比對RTL和網(wǎng)表在功能上是否等價，常用的工具有synopsys的formality（fm）和Cadence的Conforml（lec）

如果FM通過了，那么下一步進(jìn)行物理實現(xiàn)：從Netlist到GDS。通常需要經(jīng)過以下步驟：

綜合之后網(wǎng)表和約束已經(jīng)有了，下一步進(jìn)行ICC布局布線。Design Setup & In步驟中讀入相關(guān)的網(wǎng)表、SDC和所需的工藝庫文件。Floorplan步驟設(shè)置尺寸大小，擺放port位置，設(shè)置物理約束。Placement步驟中由工具自動擺放stdcel，進(jìn)行時序、功耗、面積優(yōu)化。Clock Tree Synthesis構(gòu)建時鐘樹，這之前時鐘都是假設(shè)為理想的，從clock port到reg/CK的延時都為0。對于時序分析而言，時鐘樹長出來之前所有的Timing問題其實都不準(zhǔn)的，hold無需關(guān)注，setup需留有余量，因為布局布線的影響，時序會再次變化。Routing步驟中將所有net用物理連接線實現(xiàn)。Chip Finish步驟中為提高良率和解決物理規(guī)則違規(guī)對芯片做一些特殊處理。Write Design Out將所需的文件導(dǎo)出。

上圖中給出ICC執(zhí)行所需的兩類文件：

1、一類是DC綜合時的文件，包括library的db文件、sdc約束文件、綜合后的網(wǎng)表文件；

2、一類是物理數(shù)據(jù)文件，包括library中db文件對應(yīng)的Milkyway文件，技術(shù)文件（abc_6m.tf），RC模型文件（TLU+）用于提取寄生參數(shù)計算線延遲。

這里我們首先說下物理庫，ICC中所有物理庫都以Milkway的格式存在包括stdcell、memory等物理庫，也包括設(shè)計本身。以stdcell為例，一般包含三類：CEL、FRAM和LM。其中CEL和FRAM是View信息，CEL包括所有的物理信息，F(xiàn)RAM只包含pin的位置和形狀以及routing blocage。PnR過程中，ICC只會把FRAM View讀進(jìn)memory，CEL View數(shù)據(jù)量太大，CEL View只在最后寫GDS時用。Routing blockage是繞線阻礙物，就是給某些金屬加上blockage屬性，讓工具走線時不通過該區(qū)域，避免route時把連線伸進(jìn)去，造成短路；

上圖左側(cè)為INV的CEL View，右側(cè)為INV的FRAM View。從圖中可看出FRAM中信息量確實很少。

一個FRAM View中包含Pin的方向、位于哪一層、形狀。左下角是cell的參考點，坐標(biāo)為（0,0）自動布局時會被使用。還有中間的Blockage區(qū)域（避免走線）。通常一個cell放在Row中的一個site上，cell的高度和Row的高度是相同的，這些都在tf文件中有定義。VDD位于頂層，GND位于最下面，這些和row的線對齊。

tf技術(shù)文件包括以下信息：

1、layer/via的數(shù)量和名字

2、每層layer的物理和電參數(shù)

3、每層layer的設(shè)計規(guī)則（最小線寬，線間距）

4、每個cell的單位和精度

5、每層的layer的顯示顏色和模式

技術(shù)文件內(nèi)容如上圖所示，里面定義了很多物理參數(shù)。

至于tlu+文件用于對線負(fù)載模型建模，ICC的RC估算比DC精確的多，已經(jīng)可以表達(dá)真實的線延遲。后端工具基于此可計算wire的寄生參數(shù)：包括電阻、電容、耦合電容。

在ICC處理的第一步中就是創(chuàng)建milkway_lib，它會創(chuàng)建名為oc8051_mwLIB文件夾。并將技術(shù)文件和mw文件導(dǎo)入其中。

接下來讀入網(wǎng)表文件和約束文件，同時保存CEL View數(shù)據(jù)

此時原有文件夾下會新建CEL文件，并將mw數(shù)據(jù)保存為init_design庫文件。在Design Setup & In階段，讀入所有文件后，此時并沒有floorplan操作，所有cell堆積在左下角。

floorplan步驟：先擺放大的mcro cell，然后擺放stdcell，這期間需要固定IO位置。對于最底層晶體管的供電而言，M1或M2與Row平行的會放置metal，依次與cell的VDD和VSS相連，在M6或M7放置供電網(wǎng)，高層次的layer通過via與底層次的Layer相連，從而搭建整體的電源系統(tǒng)。這里需要說明一點，如果M1是橫向的，那么M2必須是縱向的，以此減少線干擾，相隔兩層的metal必須正交，不能平行（與硬件PCB多層板布線很相似）。

floorplan本質(zhì)是包含三方面：PPA（功耗性能面積），這三方面需要折中處理。這之后就到了Placement階段，工具會自動將每個cell放入site中。

在Route之前，ICC做place_opt進(jìn)行優(yōu)化時用Virtual Route估計連接線的長度和形狀，以此根據(jù)TLU+模型估計RC參數(shù)。事實上，在后面的CTS階段，由于沒有route，所以也通過同樣的方法估計RCPlacement階段，需要滿足sdc約束下的setup timing，所以完成place后，要分析Timing。