引言：前段時(shí)間給大家做了芯片設(shè)計(jì)的知識(shí)鋪墊（關(guān)于芯片設(shè)計(jì)的一些基本知識(shí)），今天這篇，我們正式介紹芯片設(shè)計(jì)的具體流程。芯片分為數(shù)字芯片、模擬芯片、數(shù)?；旌闲酒榷喾N類(lèi)別。不同類(lèi)別的設(shè)計(jì)流程也存在一些差異。接下來(lái)，我們就以數(shù)字芯片為例，詳細(xì)看看芯片到底是如何設(shè)計(jì)出來(lái)的。

芯片設(shè)計(jì)的主要流程

芯片的設(shè)計(jì)，總體分為規(guī)格定義、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、前端設(shè)計(jì)（Front-End Design）和后端設(shè)計(jì)（Back-End Design）四個(gè)階段。

網(wǎng)上有些資料為了簡(jiǎn)單，也會(huì)將規(guī)格定義和系統(tǒng)設(shè)計(jì)也歸入前端設(shè)計(jì)。上篇文章小棗君給大家說(shuō)過(guò)，現(xiàn)在主流的芯片設(shè)計(jì)思路是自頂向下（Top-Down），也就是“先宏觀，再微觀”。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是先做芯片整體設(shè)計(jì)（功能、接口、模塊），再做各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。做模塊設(shè)計(jì)的時(shí)候，先設(shè)計(jì)邏輯原理（寫(xiě)代碼），然后再用EDA工具轉(zhuǎn)化為邏輯電路圖（網(wǎng)表），最后再設(shè)計(jì)物理電路圖（版圖）。整個(gè)過(guò)程，穿插著大量的“設(shè)計(jì)-驗(yàn)證（仿真）-設(shè)計(jì)-驗(yàn)證（仿真）”循環(huán)。需要確保每一步都準(zhǔn)確無(wú)誤，才會(huì)進(jìn)入下一步。四大階段中，前端設(shè)計(jì)，就是邏輯設(shè)計(jì)。主要是將芯片的功能需求轉(zhuǎn)化為可實(shí)現(xiàn)的電路邏輯，確保功能正確性，不考慮物理實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。后端設(shè)計(jì)，則是物理設(shè)計(jì)，專注于物理實(shí)現(xiàn)，將前端的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的版圖。這個(gè)階段需要腳踏實(shí)地，考慮制造工藝約束、信號(hào)完整性、功耗管理等實(shí)際問(wèn)題，解決物理實(shí)現(xiàn)的工藝挑戰(zhàn)。前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)的各個(gè)子階段如下圖所示：

接下來(lái)，我們分別進(jìn)行介紹。

規(guī)格定義

芯片設(shè)計(jì)的第一步，是搞明白自己到底要做一款什么樣的芯片。這不是領(lǐng)導(dǎo)拍腦袋決定的，而是需要芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和客戶（甲方）以及利益相關(guān)方進(jìn)行充分溝通，了解具體設(shè)計(jì)需求之后確定的。需求包括：到底要實(shí)現(xiàn)什么功能，用于什么環(huán)境，算力、成本、功耗大概是多少，需要提供哪些接口，需要遵循什么安全等級(jí)，等等。所有的需求會(huì)轉(zhuǎn)化為芯片的基本參數(shù)，最終以Spec（芯片規(guī)格說(shuō)明書(shū)）文件的形式進(jìn)行記錄。芯片設(shè)計(jì)的基本要求，就此確定。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)接下來(lái)，就要由架構(gòu)工程師出馬了。
架構(gòu)工程師要根據(jù)規(guī)格Spec，設(shè)計(jì)具體的實(shí)現(xiàn)方案。包括但不限于：整個(gè)芯片的架構(gòu)、業(yè)務(wù)模塊、供電、接口、時(shí)序、性能指標(biāo)、面積和功率約束等。芯片的架構(gòu)主要由芯片的類(lèi)別和功能所決定。如果芯片主要用于通用計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，馮?諾依曼架構(gòu)可能是一個(gè)合適的選擇。如果側(cè)重于高速的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用，如數(shù)字信號(hào)處理或一些特定的嵌入式系統(tǒng)，哈佛架構(gòu)可能更具優(yōu)勢(shì)。對(duì)于復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)，還可能采用多核架構(gòu)或異構(gòu)集成架構(gòu)（混搭）。

芯片的整體布局（示例）

選定架構(gòu)之后，架構(gòu)師還要在細(xì)節(jié)上進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。例如調(diào)整各個(gè)功能模塊之間的連接方式、優(yōu)化數(shù)據(jù)通路以減少延遲，或者采用新的計(jì)算模式，等等。

架構(gòu)師還要確定哪些功能可以用軟件實(shí)現(xiàn)，哪些部分需要用硬件實(shí)現(xiàn)。上篇小棗君介紹過(guò)IP核，哪些部分要采購(gòu)IP核，哪些部分自己做，也是由架構(gòu)師決定的。

前端設(shè)計(jì)（邏輯設(shè)計(jì)）好了，開(kāi)始進(jìn)入前端設(shè)計(jì)部分了。我們保持耐心，一步一步來(lái)看。

• HDL編碼

首先，是進(jìn)行HDL（Hardware Description Language，硬件描述語(yǔ)言）編碼。架構(gòu)設(shè)計(jì)方案完成后，芯片設(shè)計(jì)工程師將根據(jù)方案，針對(duì)各模塊進(jìn)行具體的電路設(shè)計(jì)。他會(huì)使用專門(mén)的硬件描述語(yǔ)言（Verilog或VHDL），對(duì)具體的電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行RTL（Register Transfer Level，寄存器傳輸級(jí)）級(jí)別的代碼描述。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是用代碼來(lái)表述芯片的邏輯功能和數(shù)據(jù)傳輸。Verilog作為一種常用的硬件描述語(yǔ)言，能夠?qū)﹄娐罚ㄏ到y(tǒng)）進(jìn)行多層次描述，包括系統(tǒng)級(jí)、算法級(jí)、寄存器傳輸級(jí)（RTL級(jí)）、門(mén)級(jí)和開(kāi)關(guān)級(jí)。在數(shù)字IC設(shè)計(jì)流程中，RTL級(jí)描述最為關(guān)鍵和常用。因此，Verilog代碼也常被稱作RTL代碼。

Verilog代碼范例（32位加法器）

需要注意的是，HDL編碼需要結(jié)合晶圓廠提供的庫(kù)（libaray）和器件（device）等基礎(chǔ)資源來(lái)設(shè)計(jì)。有些芯片設(shè)計(jì)工程師也會(huì)基于晶圓廠提供的資源，進(jìn)行底層優(yōu)化設(shè)計(jì)。

·仿真驗(yàn)證HDL編碼完成之后，就要開(kāi)始第一波驗(yàn)證（Verification）了。前面我說(shuō)過(guò)，芯片設(shè)計(jì)幾乎每一步都要進(jìn)行驗(yàn)證或仿真，就是為了確保不出錯(cuò)，因?yàn)槌鲥e(cuò)的代價(jià)實(shí)在太大。

這一步的仿真驗(yàn)證，主要包括電路邏輯功能方面的驗(yàn)證，也就是證明設(shè)計(jì)的功能是否符合設(shè)計(jì)規(guī)格中的定義，是否存在邏輯實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤。

如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，就需要返回上一步，進(jìn)行修改，甚至要返回方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行修改。修改之后，再重新進(jìn)行驗(yàn)證。

驗(yàn)證方法包括：（借助工具）通過(guò)在搭建的驗(yàn)證環(huán)境中輸入激勵(lì)（就是加輸入信號(hào)），然后看檢測(cè)輸出波形是否和預(yù)期一樣，以此來(lái)進(jìn)行判斷。

驗(yàn)證仿真的工具主要包括VCS、Qustasim等EDA工具（進(jìn)行編譯和仿真），以及Verdi等工具（進(jìn)行debug）。

需要注意的是，這個(gè)階段的仿真，也被稱為“前仿真”。待會(huì)我們還有一個(gè)“后仿真”。
“前仿真”是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的。它基于理想化的抽象模型，忽略物理延遲和布線細(xì)節(jié)，專注于功能正確性。·邏輯綜合接下來(lái)，驗(yàn)證工程師要使用一些EDA工具，將RTL代碼翻譯成門(mén)級(jí)網(wǎng)表（Gate levelNetlist），也就是實(shí)際的邏輯門(mén)電路（也包含了邏輯結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系，也是后端設(shè)計(jì)的關(guān)鍵輸入）。

門(mén)級(jí)網(wǎng)表的樣例

這個(gè)步驟就是邏輯綜合（Synthesis），有時(shí)候直接簡(jiǎn)稱“綜合”。

邏輯綜合主要包括翻譯、優(yōu)化、映射步驟。

翻譯：先將Verilog/VHDL代碼轉(zhuǎn)換為工藝無(wú)關(guān)的、初級(jí)的、未優(yōu)化的通用門(mén)級(jí)電路。

優(yōu)化：邏輯綜合需要設(shè)定約束條件，也就是希望邏輯綜合出來(lái)的電路在面積、時(shí)序、時(shí)延等（PPA）目標(biāo)參數(shù)上達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化，是根據(jù)約束條件和工藝庫(kù)（由晶圓廠提供）參數(shù)，進(jìn)行邏輯結(jié)構(gòu)調(diào)整，去掉冗余單元，以此滿足要求。

映射：最終，將門(mén)級(jí)邏輯電路映射到的工藝庫(kù)上。

需要注意的是，不同晶圓廠的工藝庫(kù)，門(mén)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，選用的庫(kù)不一樣，綜合出來(lái)的電路在面積、時(shí)序上就不一樣。

·靜態(tài)時(shí)序分析靜態(tài)時(shí)序分析（Static Timing Analysis，STA），也屬于驗(yàn)證的范疇，主要是在時(shí)序上對(duì)電路進(jìn)行驗(yàn)證。
具體來(lái)說(shuō)，是在不提供激勵(lì)的情況下，驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)序特性，檢查電路是否存在建立時(shí)間（setuptime）和保持時(shí)間（holdtime）的違例（violation）。這句話有點(diǎn)難理解，要搞懂它，就要先搞懂時(shí)序（timing）。前面我們多次提到時(shí)序。芯片時(shí)序是集成電路設(shè)計(jì)中確保信號(hào)傳輸與時(shí)鐘同步的關(guān)鍵技術(shù)，非常重要。
電子設(shè)備由時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)，如果時(shí)序存在問(wèn)題，各個(gè)模塊之間的工作節(jié)奏就會(huì)錯(cuò)亂，影響各個(gè)元件以及整個(gè)芯片的工作頻率，進(jìn)而影響整體性能。

在數(shù)字電路中，一個(gè)寄存器如果出現(xiàn)前面說(shuō)的違例，就無(wú)法正確采樣數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。所以，以寄存器為基礎(chǔ)的數(shù)字芯片功能，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

靜態(tài)時(shí)序分析（STA）的作用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

首先，它能幫助我們確定芯片的最高工作頻率。

通過(guò)詳細(xì)的時(shí)序分析，工程師可以更好地控制工程的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而減少延遲，盡可能地提升芯片的工作頻率。

芯片的最高工作頻率由網(wǎng)表（netlist）的關(guān)鍵路徑?jīng)Q定。關(guān)鍵路徑是網(wǎng)表中信號(hào)傳播時(shí)延的最長(zhǎng)路徑。

其次，靜態(tài)時(shí)序分析也是檢查時(shí)序約束是否滿足的重要手段。

在時(shí)序分析的過(guò)程中，我們可以查看目標(biāo)模塊是否滿足預(yù)設(shè)的約束條件。如果不滿足，分析結(jié)果將幫助我們精確地定位到問(wèn)題點(diǎn)，并給出詳細(xì)的改進(jìn)建議。

最后，靜態(tài)時(shí)序分析還能用于分析時(shí)鐘質(zhì)量。

時(shí)鐘信號(hào)存在抖動(dòng)、偏移和占空比失真等缺陷。通過(guò)時(shí)序分析，我們可以有效地驗(yàn)證這些缺陷對(duì)目標(biāo)模塊性能的影響。

STA工具，包括Synopsys的PT（Prime Time）工具等。

它可以分為三個(gè)基本步驟：

1、將netlist看成一個(gè)拓?fù)鋱D；

2、進(jìn)行時(shí)延計(jì)算（連線時(shí)延net delay、單元時(shí)延cell delay）；

3、找到關(guān)鍵路徑，并計(jì)算時(shí)延，進(jìn)行判斷。

·形式驗(yàn)證這一步也是驗(yàn)證，是從功能上對(duì)邏輯綜合后的網(wǎng)表（netlist）進(jìn)行驗(yàn)證。形式驗(yàn)證主要通過(guò)數(shù)學(xué)手段來(lái)完成，不考慮工藝因素，無(wú)需激勵(lì)或時(shí)序檢查即可進(jìn)行。在形式驗(yàn)證中，等效性檢查（也叫等價(jià)性檢查）是一種常用方法。它通過(guò)將當(dāng)前設(shè)計(jì)與已知的黃金設(shè)計(jì)（功能驗(yàn)證后的HDL設(shè)計(jì)）進(jìn)行對(duì)比，來(lái)確認(rèn)設(shè)計(jì)的功能等效性，確保邏輯綜合過(guò)程中沒(méi)有改變?cè)菻DL描述的電路功能。

覆蓋率，是評(píng)估驗(yàn)證充分性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。它主要分為兩大類(lèi)：代碼覆蓋率和功能覆蓋率。

代碼覆蓋率，旨在檢查RTL代碼是否冗余，并確保設(shè)計(jì)要點(diǎn)得到全面遍歷。

功能覆蓋率，專注于檢查自定義container（容器）中的功能是否被充分測(cè)試。

在前端設(shè)計(jì)的最后階段，需要完成代碼覆蓋率的充分性審查。對(duì)于未達(dá)到100%覆蓋率的情況，需要給出合理解釋，以確保芯片功能不受影響。

以上驗(yàn)證工作都完成后，前端設(shè)計(jì)（邏輯設(shè)計(jì)）就基本完成了。

幾個(gè)主要階段的輸入和輸出，如下表所示：

后端設(shè)計(jì)（物理設(shè)計(jì)）

前端設(shè)計(jì)的結(jié)果，是得到了芯片的網(wǎng)表（netlist）電路。
不同的EDA工具，生成的網(wǎng)表文件的文件格式也不太一樣。例如*.v（Design Compiler，Synopsys公司）、*.vh（PKS，Cadence公司）和*.edf（Synplify，Synplicity公司）。
后端設(shè)計(jì)，是要基于網(wǎng)表，制作出物理版圖。具體來(lái)說(shuō)，是先基于網(wǎng)表，在給定大小的硅片面積內(nèi)，對(duì)電路進(jìn)行布局規(guī)劃（Floor Plan）、布局（Place）和布線（Route）。然后，再對(duì)物理版圖進(jìn)行功能和時(shí)序上的各種驗(yàn)證（DRC、LVS、ERC等）。最后，生成用于制造光掩模版和流片的GDS（Geometry Data Standard）版圖。
整個(gè)過(guò)程有點(diǎn)像制作PCB電路板。當(dāng)然，復(fù)雜度要高出無(wú)數(shù)倍。接下來(lái)，我們來(lái)看每個(gè)步驟：

·可測(cè)性設(shè)計(jì)

可測(cè)性設(shè)計(jì)（Design for Test，DFT），是為了方便后續(xù)對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試，提前進(jìn)行的自帶測(cè)試電路設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在的芯片都很復(fù)雜，出現(xiàn)問(wèn)題的話，往往很難查找原因?？蓽y(cè)試性設(shè)計(jì)就是為將來(lái)找問(wèn)題進(jìn)行提前考慮。可測(cè)性設(shè)計(jì)的常見(jiàn)方法，是在設(shè)計(jì)中插入掃描鏈、內(nèi)建自測(cè)試（BIST）、邊界掃描單元等特殊架構(gòu)，將非掃描單元（如寄存器）變?yōu)閽呙鑶卧?，提升電路?nèi)部信號(hào)控制與觀測(cè)能力。

DFT示例圖

在測(cè)試時(shí)，在Scan-In階段加載激勵(lì)信號(hào)，在Capture階段捕獲組合邏輯響應(yīng)，最終通過(guò)Scan-Out移出比對(duì)，就能得出結(jié)果。

可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括可控性和可觀測(cè)性。具體情況可以另行搜索網(wǎng)上資料，限于篇幅就不多介紹了。

注意，在有些文獻(xiàn)里，也會(huì)將可測(cè)性設(shè)計(jì)歸為前端設(shè)計(jì)的范疇。

· 物理布局可測(cè)性設(shè)計(jì)之后，就要開(kāi)始進(jìn)行物理布局（layout）了。
物理布局是芯片設(shè)計(jì)流程中從邏輯視圖向物理視圖的轉(zhuǎn)換過(guò)程。它需要考慮到元件的尺寸、形狀、相互之間的間距，以及連線的長(zhǎng)度和寬度等各種復(fù)雜因素。布局的好壞，直接影響到芯片的信號(hào)抗干擾能力、寄生電容和電感的大小，決定了芯片的整體性能和可靠性。好的物理布局，是要實(shí)現(xiàn)空間利用率、總線長(zhǎng)度、時(shí)序的完美平衡。也就是說(shuō)，空間利用率要盡量高，總線要盡量短，時(shí)序要盡量收斂。物理布局的主要步驟包括：布局規(guī)劃、布局、時(shí)鐘樹(shù)綜合、布線等。我們逐一來(lái)看：· 物理布局之布局規(guī)劃布局規(guī)劃（Floor Plan），就是規(guī)劃放置芯片的宏單元模塊，在總體上確定核心區(qū)域（Core Area）、電源網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵模塊位置，如IP模塊、RAM、I/O引腳等。

這個(gè)步驟沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的最佳方案，但又有很多細(xì)節(jié)需要考量。

設(shè)計(jì)者需要根據(jù)電路的功能和性能要求，以及硅片的尺寸和工藝約束，來(lái)安排電路元件的位置。例如，設(shè)計(jì)者可能需要將高速或者熱敏感的電路部分放在芯片的中心位置，以便獲得更好的性能和熱分布。

在布局規(guī)劃的過(guò)程中，同樣要緊密結(jié)合晶圓廠的資料來(lái)。例如，晶圓廠提供的PDK（Process Design Kit，工藝設(shè)計(jì)套件）。

PDK包含了工藝相關(guān)的各種參數(shù)和模型，比如晶體管尺寸、層間距、金屬氧化層厚度等，就連線寬、線距等設(shè)計(jì)規(guī)則都與之相關(guān)。如果脫離PDK，你設(shè)計(jì)的東西，人家根本生產(chǎn)不了，就是白搭。

· 物理布局之布局
布局（Place），就是在規(guī)劃的區(qū)域內(nèi)，精準(zhǔn)放置所有標(biāo)準(zhǔn)單元、I/O pad、宏單元，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路邏輯。布局時(shí)，需要平衡芯片利用率（70%~90%）、時(shí)序收斂和布線擁塞風(fēng)險(xiǎn)。

· 物理布局之時(shí)鐘樹(shù)綜合

時(shí)鐘樹(shù)綜合（Clock Tree Synthesis，CTS），簡(jiǎn)單說(shuō)就是時(shí)鐘的布線，構(gòu)建時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。前面說(shuō)了，時(shí)鐘信號(hào)在數(shù)字芯片中起到了全局指揮的作用。我們?cè)诓挤艜r(shí)鐘線的時(shí)候，需要對(duì)稱式地連接到各個(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。（時(shí)鐘偏差通常需控制在時(shí)鐘周期的10%以內(nèi)。）

· 物理布局之布線

這里的布線（Routing），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(mén)電路）之間的走線。在滿足工藝規(guī)則和布線層數(shù)限制、線寬、線間距限制和各線網(wǎng)可靠絕緣的電性能約束條件下，需要對(duì)信號(hào)線進(jìn)行合理規(guī)劃，將各單元和I/O pad（輸入/輸出焊盤(pán)管腳）連接起來(lái)。

布線工具界面

設(shè)計(jì)者需要根據(jù)信號(hào)的頻率和時(shí)序要求，以及工藝的布線規(guī)則，來(lái)安排信號(hào)線的路徑和層次。例如，設(shè)計(jì)者可能需要使用多層金屬線來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)交叉，或者使用特殊的布線技術(shù)來(lái)降低信號(hào)的傳播延遲。

經(jīng)過(guò)反復(fù)的檢測(cè)與優(yōu)化，最終會(huì)呈現(xiàn)出如下的電路圖。

或者是這樣：

這就是版圖，包括了平面幾何形狀、文本標(biāo)簽等與物理布局相關(guān)的信息，通常是一個(gè)圖形數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（graphic data system，GDSⅡ）文件。圖中，我們可以清晰地看到藍(lán)、紅、綠、黃等不同色彩的區(qū)域，這些色彩區(qū)域分別對(duì)應(yīng)著不同的光掩模版（后面會(huì)說(shuō)，芯片制造篇也提到過(guò)）。

·寄生參數(shù)提取和信號(hào)完整性分析

物理布局完成之后，又要開(kāi)始進(jìn)行驗(yàn)證了。導(dǎo)線本身的電阻、相鄰導(dǎo)線間的互感及耦合電容等因素（寄生參數(shù)），會(huì)在芯片內(nèi)部引發(fā)信號(hào)噪聲、串?dāng)_和反射等問(wèn)題，導(dǎo)致信號(hào)電壓發(fā)生波動(dòng)甚至失真。因此，需要進(jìn)行寄生參數(shù)的提取，以及信號(hào)完整性的分析驗(yàn)證。
·靜態(tài)時(shí)序分析在電路的每個(gè)單元位置和各項(xiàng)參數(shù)都已確定的情況下，需要再次進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。
·形式驗(yàn)證和前面一樣。再做一次，確認(rèn)一下電路功能是否與之前保持一致。

·后仿真（時(shí)序仿真）

后仿真，也叫時(shí)序仿真。它是在物理布局完成后進(jìn)行，通過(guò)注入實(shí)際物理參數(shù)（如延時(shí)、寄生效應(yīng)），驗(yàn)證芯片在真實(shí)工藝條件下的時(shí)序、功耗及信號(hào)完整性，確保設(shè)計(jì)可制造且可靠。后仿真的核心關(guān)注點(diǎn)在時(shí)序驗(yàn)證、物理效應(yīng)分析以及設(shè)計(jì)收斂。時(shí)序驗(yàn)證前面說(shuō)過(guò)，是檢查建立時(shí)間（Setup Time）、保持時(shí)間（Hold Time）是否滿足，避免信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)、毛刺等問(wèn)題。物理效應(yīng)分析，是評(píng)估信號(hào)完整性（如串?dāng)_、噪聲）、功耗熱點(diǎn)及電壓降。設(shè)計(jì)收斂，是確保芯片在目標(biāo)頻率下穩(wěn)定工作（如時(shí)鐘邊沿能否正確觸發(fā)寄存器）。前仿真和后仿真的對(duì)比，如下表所示：

·物理驗(yàn)證

物理驗(yàn)證，主要包括LVS、DRC、ERC等檢查，目的是確保版圖的正確性和一致性。
LVS（Layout vs. Schematic）：版圖對(duì)原理圖一致性檢查，就是版圖與邏輯綜合后的門(mén)級(jí)電路圖的對(duì)比驗(yàn)證。DRC（Design Rule Checking）：版圖設(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。規(guī)則通常都由晶圓廠提供，確保設(shè)計(jì)在制造過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)物理上的問(wèn)題，例如短路、開(kāi)路、間距不足等。ERC（Electrical Rue Checking）：電氣規(guī)則檢查，檢查短路和開(kāi)路等電氣規(guī)則違例。

·功耗分析

功耗分析是確保芯片性能（Performance）、功耗（Power）和面積（Area）（簡(jiǎn)稱PPA）平衡的核心環(huán)節(jié)。

它其實(shí)貫穿于芯片設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，在前面我們也有提到相關(guān)流程。它的兩大任務(wù)是分析IR drop（電壓降）和EM（電遷移），防止因此導(dǎo)致的芯片失效。

功耗分析的核心方法包括靜態(tài)功耗分析和動(dòng)態(tài)功耗分析，常用工具包括Ansys公司的Redhawk，Cadence公司的Voltus，以及Synopsys公司的Ptpx。

·工程變更芯片設(shè)計(jì)有時(shí)候還會(huì)進(jìn)行工程變更（Engineering Change Order，ECO）。

也就是局部修改單元位置或布線，解決STA或后仿真發(fā)現(xiàn)的違例問(wèn)題。通過(guò)工程變更，可以避免重新設(shè)計(jì)。

·簽核

注意！布局布線完成后的這幾個(gè)步驟，包括物理驗(yàn)證、靜態(tài)時(shí)序分析、功耗和可靠性分析等，都屬于簽核（Sign-off）檢查。簽核是流片前的最后一道“守門(mén)關(guān)”。如果不滿足，就要回到物理設(shè)計(jì)做修改。如果還是不滿足，就需要返到電路設(shè)計(jì)和驗(yàn)證環(huán)節(jié)。如果全都滿足，那這個(gè)版圖就可以送去晶圓廠流片。

簽核也要采用EDA工具，包括了IR分析簽核工具、時(shí)序分析簽核工具、物理驗(yàn)證簽核工具等。

對(duì)于目前越來(lái)越復(fù)雜的工藝，實(shí)現(xiàn)簽核收斂（即所有檢查均通過(guò)）變得越來(lái)越困難。這主要是因?yàn)槎喾N物理效應(yīng)（如工藝偏差OCV、信號(hào)完整性SI、電源完整性PI、熱效應(yīng)等）之間存在復(fù)雜的相互作用。

因此，簽核工具需要具備更精確的建模能力、更全面的分析功能，并且常常需要AI的輔助來(lái)加速分析和收斂過(guò)程。

以上，就是后端設(shè)計(jì)的主要流程。在實(shí)際項(xiàng)目中，其實(shí)還包括了附加流程，例如填充單元插入，以及隨著制造工藝不斷演進(jìn)產(chǎn)生的DFM（可制造性設(shè)計(jì)）等。大家有興趣可以另外研究。

后端設(shè)計(jì)幾個(gè)主要階段的輸入和輸出，如下表所示：

后端設(shè)計(jì)全部完成之后，就可以輸出最終的GDSⅡ文件了。文件包含以下信息：

層次結(jié)構(gòu)和頂層結(jié)構(gòu)：芯片的不同層和頂層結(jié)構(gòu)，包括金屬層、多晶硅層、掩膜層、膠片層等。

幾何信息：包括芯片各個(gè)部位的尺寸、形狀、位置以及與其他部位的連接方式等。

特殊功能區(qū)域：如聯(lián)排、防抖動(dòng)區(qū)域、紋理區(qū)、DPJ (Diffusion Pocket Junction) 等。

材料屬性信息：描述每個(gè)層的材料類(lèi)型、介電常數(shù)、厚度等。

流片

最后，就是流片（Tape-out）！
物理版圖以GDSⅡ的文件格式交給晶圓廠，就要開(kāi)始流片，也就是試生產(chǎn)，制造幾十片的樣片。

流片為什么會(huì)叫Tape-out呢？

因?yàn)樵谏鲜兰o(jì)七八十年代，芯片的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)都是寫(xiě)到磁帶或者膠片里傳給工廠。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁帶，叫Tape in。工廠讀取磁帶的數(shù)據(jù)，叫Tape out。隨著時(shí)間的推移，磁帶早已不用了，但是這個(gè)叫法一直沿用了下來(lái)。

晶圓廠拿到GDSⅡ文件，開(kāi)始制作光刻掩模版（mask）。光刻掩模版光刻掩模版的制造過(guò)程和芯片晶圓的制造過(guò)程有點(diǎn)像，大概是這樣的：1、借助無(wú)掩模光刻機(jī)讀取GDSⅡ版圖文件，對(duì)涂有光刻膠的空白掩膜版進(jìn)行非接觸式曝光。這個(gè)步驟將照射掩膜版上預(yù)先設(shè)定的圖形區(qū)域，引發(fā)光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)。2、經(jīng)過(guò)顯影和定影處理后，曝光區(qū)域的光刻膠將溶解并脫落，從而暴露出下方的鉻層。3、采用鉻刻蝕液進(jìn)行濕法刻蝕，將暴露的鉻層刻蝕掉，以形成透光區(qū)域。同時(shí)，受光刻膠保護(hù)的部分鉻層則得以保留，從而形成不透光區(qū)域。4、對(duì)掩膜版進(jìn)行徹底清洗。這樣，掩膜版上便形成了具有不同透光率的平面圖形結(jié)構(gòu)?；谘谀０?，制作芯片。然后，芯片設(shè)計(jì)企業(yè)對(duì)芯片進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試，看是否流片成功。如果成功，那就congratulations！如果失敗，就要評(píng)估能不能降級(jí)使用。如果不能，那就要么砸錢(qián)重來(lái)，要么宣告放棄！好啦，以上就是數(shù)字芯片的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。大家都學(xué)廢了嘛？

參考文獻(xiàn)：1、《一顆芯片的誕生（設(shè)計(jì)）》，科技朋克Roy；2、《芯片設(shè)計(jì)制造過(guò)程探秘》，知識(shí)的拾荒者；3、《介紹數(shù)字芯片設(shè)計(jì)的十大流程》，e-works胡中揚(yáng)；4、《一步一圖，帶你全面了解模擬芯片設(shè)計(jì)流程》，icguide；5、《構(gòu)建您自己的芯片設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)：一份全面的實(shí)踐指南》，GKLBB，博客園；6、《中國(guó)EDA行業(yè)深度研究報(bào)告》，億渡數(shù)據(jù)；7、《一文了解芯片設(shè)計(jì)全流程》，胡說(shuō)漫談，知乎；8、維基百科、百度百科、各企業(yè)官網(wǎng)。