IC设计

电路基础

发布日期: 2023-07-03

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一颗芯片从无到有，从有需求到最终应用，经历的是一个漫长的过程，作为人类科技巅峰之一的芯片，它凝聚了人们的智慧。
而芯片产业链也是极其复杂的，在此，我大致把它归为四个部分（市场需求–芯片设计–芯片制造–测试封装），然后再一一的做详细介绍。

一、市场需求

这个无需多讲，目前芯片应用已经渗透到我们生活的方方面面，早晨上班骑的共享单车，到公司刷的IC卡，工作时偷偷地打游戏，手机卡了还要换更快的手机，可以说IC的市场需求一直都在。
（注：以下图片部分来自网络，侵删）

二、芯片设计

芯片设计又可以分为两部分，芯片前端设计和芯片后端设计，整体流程如下图：

1、前端

前端设计也就是从输入需求到输出网表的过程：主要分为以下六个步骤：

RTL设计
验证
静态时序分析
覆盖率
ASIC逻辑综合

时序分析和验证时出现的错误可能需要反复重做前面几步才能解决，是一个多次迭代优化的过程。
下面我来仔细介绍一下这六个步骤。

1、RTL设计

在设计之前我们先要确定芯片的工艺，比如是选择TSMC还是SMIC，是7nm，还是5nm，而工艺的选择也是受很多因素的制约（如下图），而芯片工艺的选择，就是对这些因素的权衡。

IC设计的第一步就是制定Spec，这个步骤就像是在设计建筑前，要先画好图纸一样，在确定好所有的功能之后在进行设计，这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类似的步骤，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。

由文档来写RTL
而用RTL实现的各种功能模块，来组成一个实现具体功能的IP，SOC芯片最终由SOC integration工程师把各个IP集成到一起。
IP又分为模拟IP和数字IP，大概可以做如下的分类：

在芯片功能设计完备后，我们还要做可测性设计DFT（Design For Test）。

RTL设计最后要做的就是代码的设计规则检查。
通过lint, Spyglass等工具，针对电路进行设计规则检查，包括代码编写风格，DFT，命名规则和电路综合相关规则等。

2、验证

验证是保证芯片功能正确性和完整性最重要的一环。验证的工作量也是占整个芯片开发周期的50%-70%，相应的，验证工程师与设计工程师的数量大概在2-3:1。
从验证的层次可以分为：模块级验证，子系统级验证和系统级验证。
从验证的途径可以分为：模拟（simulation），仿真和形式验证（formality check）。

3、静态时序分析（STA）

静态时序分析是套用特定的时序模型（timing model）,针对特定电路，分析其是否违反designer给定的时序限制（timing constraint）。
目前主流的STA工具是synopsys的Prime Time。
时序分析流程图

静态时序分析的作用：
a. 确定芯片最高工作频率
通过时序分析可以控制工程的综合、映射、布局布线等环节，减少延迟，从而尽可能提高工作频率。
b. 检查时序约束是否满足
可以通过时序分析来查看目标模块是否满足约束，如不满足，可以定位到不满足约束的部分，并给出具体原因，进一步修改程序直至满足要求。
c. 分析时钟质量
时钟存在抖动、偏移、占空比失真等不可避免的缺陷。通过时序分析可以验证其对目标模块的影响。