數(shù)字IC介紹

　　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(hào)的IC，是近年來(lái)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。

　　數(shù)字IC設(shè)計(jì)的工具

　　數(shù)字 IC設(shè)計(jì)過(guò)程中，EDA工具扮演了很重要的角色。IC設(shè)計(jì)向來(lái)就是EDA工具和人腦的結(jié)合。隨著IC不斷向高集成度、高速度、低功耗、高性能發(fā)展，沒(méi)有高可靠性的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，完成設(shè)計(jì)是不可能的。

　　一、設(shè)計(jì)輸入（design input）

　　用vhdl或者是verilog語(yǔ)言來(lái)完成邏輯功能描述，生成hdl代碼

　　1、語(yǔ)言輸入工具：

　　SUMMIT VISUALHDL

　　MENTOR RENIOR

　　2、圖形輸入：

　　composer（cadence）;

　　viewlogic （viewdraw）

　　二、功能仿真（functional simulation）

　　將hdl代碼進(jìn)行先前邏輯仿真，驗(yàn)證功能描述是否正確

　　1、數(shù)字電路仿真工具：

　　Verolog： CADENCE Verolig-XL

　　SYNOPSYS VCS

　　MENTOR Modle-sim

　　VHDL ： CADENCE NC-vhdl

　　SYNOPSYS VSS

　　MENTOR Modle-sim

　　三、邏輯綜合（synthesis tools）

　　邏輯綜合工具可以將設(shè)計(jì)思想vhd代碼轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)一定工藝手段的門級(jí)電路；將初級(jí)仿真中所沒(méi)有考慮的門延遲（gates delay）反標(biāo)到生成的門級(jí)網(wǎng)表中，返回電路仿真階段進(jìn)行再仿真。最終仿真結(jié)果生成的網(wǎng)表稱為物理網(wǎng)表。

　　綜合工具：

　　CADENCE Builtgates Envisia Ambit

　　SYNOPSYS Design Compile Behavial Compiler

　　四、靜態(tài)時(shí)序分析（static timming analyze）

　　Synopsys Prime Time

　　Power analysis WattSmith

　　五、layout生成和自動(dòng)布局布線（auto plane&route）

　　將網(wǎng)表生成具體的電路版圖

　　layout工具：CADENCE Dracula， Diva

　　六、物理驗(yàn)證（physical validate）和參數(shù)提?。↙VS）

? ? ? ? ASIC設(shè)計(jì)中最有名、功能最強(qiáng)大的是cadence的DRECULA，可以一次完成版圖從DRC（設(shè)計(jì)規(guī)則檢查），ERC（電氣特性檢查）到LVS（寄生參數(shù)提取）的工序工具：

　　CADENCE： DRECULA

　　AVANTI ： STAR-RC

　　在驗(yàn)證過(guò)程中出現(xiàn)的時(shí)序收斂，功耗，面積問(wèn)題，應(yīng)返回前端的代碼輸入進(jìn)行重新修改，再仿真，再綜合，再驗(yàn)證，一般都要反復(fù)好幾次才能最后送去foundry廠流片。

　　數(shù)字IC設(shè)計(jì)流程

　　IC的設(shè)計(jì)過(guò)程可分為兩個(gè)部分，分別為：前端設(shè)計(jì)（也稱邏輯設(shè)計(jì)）和后端設(shè)計(jì)（也稱物理設(shè)計(jì)），這兩個(gè)部分并沒(méi)有統(tǒng)一嚴(yán)格的界限，凡涉及到與工藝有關(guān)的設(shè)計(jì)可稱為后端設(shè)計(jì)。

　　前端設(shè)計(jì)的主要流程

　　1、規(guī)格制定

　　芯片規(guī)格，也就像功能列表一樣，是客戶向芯片設(shè)計(jì)公司（稱為Fabless，無(wú)晶圓設(shè)計(jì)公司）提出的設(shè)計(jì)要求，包括芯片需要達(dá)到的具體功能和性能方面的要求。

　　2、詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　Fabless根據(jù)客戶提出的規(guī)格要求，拿出設(shè)計(jì)解決方案和具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，劃分模塊功能。 3、HDL編碼

　　使用硬件描述語(yǔ)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(lái)描述實(shí)現(xiàn)，也就是將實(shí)際的硬件電路功能通過(guò)HDL語(yǔ)言描述出來(lái)，形成RTL（寄存器傳輸級(jí)）代碼。

　　4、仿真驗(yàn)證

　　仿真驗(yàn)證就是檢驗(yàn)編碼設(shè)計(jì)的正確性，檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)就是第一步制定的規(guī)格。看設(shè)計(jì)是否精確地滿足了規(guī)格中的所有要求。規(guī)格是設(shè)計(jì)正確與否的黃金標(biāo)準(zhǔn)，一切違反，不符合規(guī)格要求的，就需要重新修改設(shè)計(jì)和編碼。設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證是反復(fù)迭代的過(guò)程，直到驗(yàn)證結(jié)果顯示完全符合規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。仿真驗(yàn)證工具M(jìn)entor公司的Modelsim，Synopsys的VCS，還有Cadence的NC-Verilog均可以對(duì)RTL級(jí)的代碼進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，該部分個(gè)人一般使用第一個(gè)-Modelsim。該部分稱為前仿真，接下來(lái)邏輯部分綜合之后再一次進(jìn)行的仿真可稱為后仿真。

　　5、邏輯綜合――Design Compiler

　　仿真驗(yàn)證通過(guò)，進(jìn)行邏輯綜合。邏輯綜合的結(jié)果就是把設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的HDL代碼翻譯成門級(jí)網(wǎng)表netlist。綜合需要設(shè)定約束條件，就是你希望綜合出來(lái)的電路在面積，時(shí)序等目標(biāo)參數(shù)上達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。邏輯綜合需要基于特定的綜合庫(kù)，不同的庫(kù)中，門電路基本標(biāo)準(zhǔn)單元（standard cell）的面積，時(shí)序參數(shù)是不一樣的。所以，選用的綜合庫(kù)不一樣，綜合出來(lái)的電路在時(shí)序，面積上是有差異的。一般來(lái)說(shuō)，綜合完成后需要再次做仿真驗(yàn)證（這個(gè)也稱為后仿真，之前的稱為前仿真）邏輯綜合工具Synopsys的Design Compiler，仿真工具選擇上面的三種仿真工具均可。

　　6、靜態(tài)時(shí)序分析——STA

　　Static Timing Analysis（STA），靜態(tài)時(shí)序分析，這也屬于驗(yàn)證范疇，它主要是在時(shí)序上對(duì)電路進(jìn)行驗(yàn)證，檢查電路是否存在建立時(shí)間（setup time）和保持時(shí)間（hold time）的違例（violation）。這個(gè)是數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)，一個(gè)寄存器出現(xiàn)這兩個(gè)時(shí)序違例時(shí)，是沒(méi)有辦法正確采樣數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的，所以以寄存器為基礎(chǔ)的數(shù)字芯片功能肯定會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。STA工具有Synopsys的Prime Time。

　　7、形式驗(yàn)證

　　這也是驗(yàn)證范疇，它是從功能上（STA是時(shí)序上）對(duì)綜合后的網(wǎng)表進(jìn)行驗(yàn)證。常用的就是等價(jià)性檢查方法，以功能驗(yàn)證后的HDL設(shè)計(jì)為參考，對(duì)比綜合后的網(wǎng)表功能，他們是否在功能上存在等價(jià)性。這樣做是為了保證在邏輯綜合過(guò)程中沒(méi)有改變?cè)菻DL描述的電路功能。形式驗(yàn)證工具有Synopsys的Formality。前端設(shè)計(jì)的流程暫時(shí)寫到這里。從設(shè)計(jì)程度上來(lái)講，前端設(shè)計(jì)的結(jié)果就是得到了芯片的門級(jí)網(wǎng)表電路。

　　Backend design flow后端設(shè)計(jì)流程

　　1、可測(cè)性設(shè)計(jì)——DFT

　　Design ForTest，可測(cè)性設(shè)計(jì)。芯片內(nèi)部往往都自帶測(cè)試電路，DFT的目的就是在設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮將來(lái)的測(cè)試。DFT的常見(jiàn)方法就是，在設(shè)計(jì)中插入掃描鏈，將非掃描單元（如寄存器）變?yōu)閽呙鑶卧ｊP(guān)于DFT，有些書上有詳細(xì)介紹，對(duì)照?qǐng)D片就好理解一點(diǎn)。DFT工具Synopsys的DFT Compiler

　　2、布局規(guī)劃（FloorPlan）

　　布局規(guī)劃就是放置芯片的宏單元模塊，在總體上確定各種功能電路的擺放位置，如IP模塊，RAM，I/O引腳等等。布局規(guī)劃能直接影響芯片最終的面積。工具為Synopsys的Astro。

　　3、時(shí)鐘樹綜合——CTS

　　Clock Tree Synthesis，時(shí)鐘樹綜合，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是時(shí)鐘的布線。由于時(shí)鐘信號(hào)在數(shù)字芯片的全局指揮作用，它的分布應(yīng)該是對(duì)稱式的連到各個(gè)寄存器單元，從而使時(shí)鐘從同一個(gè)時(shí)鐘源到達(dá)各個(gè)寄存器時(shí)，時(shí)鐘延遲差異最小。這也是為什么時(shí)鐘信號(hào)需要單獨(dú)布線的原因。CTS工具，SynopsysPhysicalCompiler。

　　4、布線（Place & Route）

　　這里的布線就是普通信號(hào)布線了，包括各種標(biāo)準(zhǔn)單元（基本邏輯門電路）之間的走線。比如我們平常聽(tīng)到的0.13um工藝，或者說(shuō)90nm工藝，實(shí)際上就是這里金屬布線可以達(dá)到的最小寬度，從微觀上看就是MOS管的溝道長(zhǎng)度。工具Synopsys的Astro

　　5、寄生參數(shù)提取

　　由于導(dǎo)線本身存在的電阻，相鄰導(dǎo)線之間的互感，耦合電容在芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生信號(hào)噪聲，串?dāng)_和反射。這些效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問(wèn)題，導(dǎo)致信號(hào)電壓波動(dòng)和變化，如果嚴(yán)重就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真錯(cuò)誤。提取寄生參數(shù)進(jìn)行再次的分析驗(yàn)證，分析信號(hào)完整性問(wèn)題是非常重要的。工具Synopsys的Star-RCXT

　　6、版圖物理驗(yàn)證

　　對(duì)完成布線的物理版圖進(jìn)行功能和時(shí)序上的驗(yàn)證，驗(yàn)證項(xiàng)目很多，如LVS（Layout Vs Schematic）驗(yàn)證，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是版圖與邏輯綜合后的門級(jí)電路圖的對(duì)比驗(yàn)證；DRC（Design Rule Checking）：設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，檢查連線間距，連線寬度等是否滿足工藝要求，ERC（Electrical Rule Checking）：電氣規(guī)則檢查，檢查短路和開(kāi)路等電氣規(guī)則違例；等等。工具為Synopsys的Hercules實(shí)際的后端流程還包括電路功耗分析，以及隨著制造工藝不斷進(jìn)步產(chǎn)生的DFM（可制造性設(shè)計(jì)）問(wèn)題，在此不說(shuō)了。物理版圖驗(yàn)證完成也就是整個(gè)芯片設(shè)計(jì)階段完成，下面的就是芯片制造了。物理版圖以GDSII的文件格式交給芯片代工廠（稱為Foundry）在晶圓硅片上做出實(shí)際的電路，再進(jìn)行封裝和測(cè)試，就得到了我們實(shí)際看見(jiàn)的芯片。