芯片设计全流程概述

[{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"失效分析 赵工"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-LINK)"},"insert":"半导体工程师"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"2023-07-17 09:45"},{"insert":" "},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-2)"},"insert":"发表于北京"},{"insert":"\n\n芯片设计分为前端设计和后端设计，前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理设计）并没有统一严格的界限，涉及到与工艺有关的设计就是后端设计。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/202307/3a33586c900f27a0.png"}},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"color":"#c200ff","bold":true},"insert":"1、规格制定"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c200ff","bold":true},"insert":"2、详细设计"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c200ff","bold":true},"insert":"3、HDL编码"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c200ff","bold":true},"insert":"4、仿真验证"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c200ff","bold":true},"insert":"5、逻辑综合――Design Compiler"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#222222"},"insert":"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）。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#7a4442"},"insert":"逻辑综合工具Synopsys的Design Compiler。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c200ff","bold":true},"insert":"6、STA"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#7a4442"},"insert":"STA工具有Synopsys的Prime Time。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c200ff","bold":true},"insert":"7、形式验证"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#7a4442"},"insert":"形式验证工具有Synopsys的Formality。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"Backend design flow ："},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n\n"},{"attributes":{"background":"transparent","bold":true},"insert":"1、DFT"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#7a4442"},"insert":"DFT工具Synopsys的DFT Compiler"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"2、布局规划(FloorPlan)"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#7a4442"},"insert":"工具为Synopsys的Astro"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"background":"transparent","bold":true},"insert":"3、CTS"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"background":"transparent"},"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#7a4442","background":"transparent"},"insert":"CTS工具有Synopsys的Physical Compiler。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"4、布线(Place & Route)"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#7a4442"},"insert":"工具有Synopsys的Astro。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"5、寄生参数提取"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#7a4442"},"insert":"工具Synopsys的Star-RCXT。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"background":"transparent","bold":true},"insert":"6、版图物理验证"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#7a4442"},"insert":"工具为Synopsys的Hercules。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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，在此不赘述了。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"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。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"来源：半导体封装工程师之家"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"var(--weui-FG-0)"},"insert":"半导体工程师"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"},{"insert":"半导体经验分享，半导体成果交流，半导体信息发布。半导体行业动态，半导体从业者职业规划，芯片工程师成长历程。"},{"attributes":{"align":"justify"},"insert":"\n"}]