芯片设计了解吗?芯片设计之前后端设计介绍

为增进大家对芯片的认识，本文将对芯片设计的前后端设计予以介绍。

芯片是电子设备的重要组成器件之一，芯片的制作材料其实就是二氧化硅，可以从沙子中进行提取。为增进大家对芯片的认识，本文将对芯片设计的前后端设计予以介绍。如果你对芯片或是本文具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。

一、芯片设计之前端设计

1. 规格制定

芯片规格，也就像功能列表一样，是客户向芯片设计公司(称为Fabless，无晶圆设计公司)提出的设计要求，包括芯片需要达到的具体功能和性能方面的要求。

2. 详细设计

Fabless根据客户提出的规格要求，拿出设计解决方案和具体实现架构，划分模块功能。

3. HDL编码

使用硬件描述语言(VHDL，Verilog HDL，业界公司一般都是使用后者)将模块功能以代码来描述实现，也就是将实际的硬件电路功能通过HDL语言描述出来，形成RTL(寄存器传输级)代码。

4. 仿真验证

仿真验证就是检验编码设计的正确性，检验的标准就是第一步制定的规格。看设计是否精确地满足了规格中的所有要求。规格是设计正确与否的黄金标准，一切违反，不符合规格要求的，就需要重新修改设计和编码。设计和仿真验证是反复迭代的过程，直到验证结果显示完全符合规格标准。

仿真验证工具Synopsys的VCS，还有Cadence的NC-Verilog。

5. 逻辑综合――Design Compiler

仿真验证通过，进行逻辑综合。逻辑综合的结果就是把设计实现的HDL代码翻译成门级网表netlist。综合需要设定约束条件，就是你希望综合出来的电路在面积，时序等目标参数上达到的标准。逻辑综合需要基于特定的综合库，不同的库中，门电路基本标准单元(standard cell)的面积，时序参数是不一样的。所以，选用的综合库不一样，综合出来的电路在时序，面积上是有差异的。一般来说，综合完成后需要再次做仿真验证(这个也称为后仿真，之前的称为前仿真)。

逻辑综合工具Synopsys的Design Compiler。

6. STA

Static Timing Analysis(STA)，静态时序分析，这也属于验证范畴，它主要是在时序上对电路进行验证，检查电路是否存在建立时间(setup time)和保持时间(hold time)的违例(violation)。这个是数字电路基础知识，一个寄存器出现这两个时序违例时，是没有办法正确采样数据和输出数据的，所以以寄存器为基础的数字芯片功能肯定会出现问题。

STA工具有Synopsys的Prime Time。

7. 形式验证

这也是验证范畴，它是从功能上(STA是时序上)对综合后的网表进行验证。常用的就是等价性检查方法，以功能验证后的HDL设计为参考，对比综合后的网表功能，他们是否在功能上存在等价性。这样做是为了保证在逻辑综合过程中没有改变原先HDL描述的电路功能。

形式验证工具有Synopsys的Formality。

前端设计的流程暂时写到这里。从设计程度上来讲，前端设计的结果就是得到了芯片的门级网表电路。

二、芯片设计之后端设计

1. DFT

Design For Test，可测性设计。芯片内部往往都自带测试电路，DFT的目的就是在设计的时候就考虑将来的测试。DFT的常见方法就是，在设计中插入扫描链，将非扫描单元(如寄存器)变为扫描单元。关于DFT，有些书上有详细介绍，对照图片就好理解一点。

DFT工具Synopsys的DFT Compiler

2. 布局规划(FloorPlan)

布局规划就是放置芯片的宏单元模块，在总体上确定各种功能电路的摆放位置，如IP模块，RAM，I/O引脚等等。布局规划能直接影响芯片最终的面积。

工具为Synopsys的Astro

3. CTS

Clock Tree Synthesis，时钟树综合，简单点说就是时钟的布线。由于时钟信号在数字芯片的全局指挥作用，它的分布应该是对称式的连到各个寄存器单元，从而使时钟从同一个时钟源到达各个寄存器时，时钟延迟差异最小。这也是为什么时钟信号需要单独布线的原因。

CTS工具，Synopsys的Physical Compiler

4. 布线(Place & Route)

这里的布线就是普通信号布线了，包括各种标准单元(基本逻辑门电路)之间的走线。比如我们平常听到的0.13um工艺，或者说90nm工艺，实际上就是这里金属布线可以达到的最小宽度，从微观上看就是MOS管的沟道长度。

工具Synopsys的Astro

5. 寄生参数提取

由于导线本身存在的电阻，相邻导线之间的互感,耦合电容在芯片内部会产生信号噪声，串扰和反射。这些效应会产生信号完整性问题，导致信号电压波动和变化，如果严重就会导致信号失真错误。提取寄生参数进行再次的分析验证，分析信号完整性问题是非常重要的。

工具Synopsys的Star-RCXT

6. 版图物理验证

对完成布线的物理版图进行功能和时序上的验证，验证项目很多，如LVS(Layout Vs Schematic)验证，简单说，就是版图与逻辑综合后的门级电路图的对比验证;DRC(Design Rule Checking)：设计规则检查，检查连线间距，连线宽度等是否满足工艺要求， ERC(Electrical Rule Checking)：电气规则检查，检查短路和开路等电气规则违例;等等。

工具为Synopsys的Hercules

实际的后端流程还包括电路功耗分析，以及随着制造工艺不断进步产生的DFM(可制造性设计)问题，在此不说了。

物理版图验证完成也就是整个芯片设计阶段完成，下面的就是芯片制造了。物理版图以GDS II的文件格式交给芯片代工厂(称为Foundry)在晶圆硅片上做出实际的电路，再进行封装和测试，就得到了我们实际看见的芯片。

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