寄存器传输级（一个芯片是如何被设计出来的）

寄存器传输级（一个芯片是如何被设计出来的）

对于很多其他专业转IC的同学来说，往往很难理解数字IC设计前端到后端的岗位划分和职能要求，总是先入为主地认为只有前端设计才是最热门的，反倒是忽视了功能验证和后端设计的价值和意义。

从就业的角度来说，三个岗位是不存在优劣之分的，都很热门也都很缺人，薪资也相差不大。

更多还是看自己能在所选择的方向上深耕的努力程度以及走多高多远。

数字前端以设计架构为起点，以生成可以布局布线的网表为终点；是用设计的电路实现想法。

主要包括：基本的RTL编程和仿真，前端设计还可以包括IC系统设计、验证(verification)、综合、STA、逻辑等值验证 (equivalence check)。其中IC系统设计最难掌握，它需要多年的IC设计经验和熟悉那个应用领域，就像软件行业的系统架构设计一样，而RTL编程和软件编程相当。

数字后端以布局布线为起点，以生成可以可以送交foundry进行流片的GDSⅡ文件为终点。

是将设计的电路制造出来，在工艺上实现想法。主要包括：后端设计简单说是P&R，像芯片封装和管脚设计，floorplan，电源布线和功率验证，线间干扰的预防和修 正，时序收敛，自动布局布线、STA，DRC，LVS等，要求掌握和熟悉多种EDA工具以及IC生产厂家的具体要求。

1、需求分析与规格制定

对市场调研，弄清需要什么样功能的芯片。

芯片规格，也就像功能列表一样，是客户向芯片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、架构设计与算法设计

根据客户提出的规格要求，对一些功能进行算法设计，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。

设计输入工具：具有强大的文本编辑功能，多种输入方法（VHDL，Verilog，状态转移图，模块图等），语法模板，语法检查，自动生产代码和文档等功能。如Active-HDL,VisualVHDL/Verilog等。

4、功能仿真（功能验证）

仿真验证就是检验编码设计的正确性，不符合规格要重新设计和编码。

你可以理解为验证就是为设计纠错的存在，这就是验证的价值体现，一个小问题没发现就直接去后端设计，最终流片失败，那带来的损失将是巨大的。因此，好的IC设计公司一般设计和验证的比例都是1:3。

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。该部分称为前仿真。

先进行模块级仿真（IP Level）,然后在放到一起片级仿真（chip level）。

仿真工具：Synopsys的VCS，Mentor ModelSim（Linux版本为Questasim），Cadence Verilog－XL，Cadence NC-Verilog。该部分个人一般使用Modelsim，公司里应用最广泛的还是VCS。

IP级验证要用到基于SystemVerilog的UVM方法学，这个是属于验证工程师的范畴。

5、逻辑综合――Logic Synthesis

逻辑综合是个比较灵活的环节，有时放在前端，有时放在后端，不同公司不同安排。

仿真验证通过，进行逻辑综合。逻辑综合就是把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，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）

逻辑综合工具：Synopsys的Design Compiler，仿真工具选择上面的三种仿真工具均可。

6、静态时序分析——STA

Static Timing Analysis（STA），静态时序分析，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：Synopsys的Prime Time。

7、形式验证——Formality

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：Synopsys的Formality。

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。

1、可测性设计——DFT

Design ForTest，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、时钟树综合——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 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GDSII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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