數(shù)字電路設計驗證流程

數(shù)字集成電路芯片的設計流程由一系列的設計實現(xiàn)和驗證測試過程組成（圖1）。首先是功能定義，它描述了對芯片功能和性能參數(shù)的要求，我們使用系統(tǒng)設計工具設計出方案和架構，劃分好芯片的模塊功能。

然后是代碼設計，我們使用硬件描述語言（HDL，如Verilog）將模塊功能表示出來，形成電腦能理解的代碼（行為級、RTL級）。經(jīng)過仿真驗證后，進行邏輯綜合，把代碼翻譯成低一級別的門級網(wǎng)表，它對應于特定的面積和參數(shù)，并再次做仿真驗證。這兩個仿真可以是用電路模型驗證邏輯功能（邏輯仿真），也可以用FPGA硬件電路來驗證（原型仿真），其速度更快，與實際電路更接近。

設計和仿真驗證是反復迭代的過程，直到驗證結果完全符合規(guī)格要求。驗證還包括靜態(tài)時序分析、形式驗證等，以檢驗電路的功能在設計轉換和優(yōu)化的過程中保持不變?？蓽y性設計（DFT、ATPG）也在這一步完成。

下一步就是數(shù)字電路后端實現(xiàn)中最為關鍵的布局布線，它實現(xiàn)電路模塊（如宏模塊、存儲器、引腳等）的布圖規(guī)劃、布局，實現(xiàn)電源、時鐘、標準單元之間信號線的布線。

在布局布線過程中及完成之后，需要對版圖進行各種驗證，包括形式驗證、物理驗證，如版圖與邏輯電路圖的對比、設計規(guī)則檢查、電氣規(guī)則檢查等。最終輸出GDS數(shù)據(jù)，轉交芯片代工廠，在晶圓上進行加工，再進行封裝和測試，就得到了我們實際看見的芯片。

圖1數(shù)字電路設計驗證流程

數(shù)字后端實現(xiàn)過程

本文所指的后端實現(xiàn)工具主要是指布圖規(guī)劃（Floorplan）和布局布線（Place&Route）兩個階段所使用到的工具集合。目前芯片設計公司使用的主要軟件有SynopsysICC2/FusionCompiler，CadenceEncounter/Innovus，MentorGraphicsNitro-Soc等。

圖2數(shù)字后端實現(xiàn)過程

數(shù)字后端的設計過程，是把邏輯綜合映射后的電路網(wǎng)表轉換為GDS的過程，也就是把電路從邏輯網(wǎng)表轉換為幾何版圖的過程。業(yè)界各個工具系統(tǒng)的實現(xiàn)大同小異，一般可以細分為設計環(huán)境建立、布圖規(guī)劃、布局、時鐘樹綜合、布線、調(diào)試完善等步驟（圖2）。

01

設計環(huán)境建立

設計環(huán)境的建立是把后端設計所需的數(shù)據(jù)讀入到數(shù)據(jù)庫，然后檢查數(shù)據(jù)的完整性與一致性。后端設計的輸入數(shù)據(jù)包括門級網(wǎng)表、設計約束和工藝庫文件三部分。其中，門級網(wǎng)表（GLN，GateLevelNetlist）是邏輯綜合工具把設計從RTL（RegisterTransferLevel）映射到GLN所得，它同時滿足時序、面積、功耗等約束。設計約束SDC（SynopsysDesignConstraints）則描述了時鐘、延遲、電源、面積、設計規(guī)則、工作條件等等對芯片的約束條件。工藝庫主要是時序庫文件和模型庫文件，如物理抽象庫文件LEF、物理詳細庫文件GDS/OASIS、時序庫文件.lib、RLC模型文件.rlc、EM規(guī)則文件、DEF文件等等。

02

布圖規(guī)劃Floorplan

布圖規(guī)劃是后端實現(xiàn)中需要手工活的惟一階段，其它階段都是通過修改腳本和約束，然后讓工具自動完成的。布圖規(guī)劃的好壞，直接決定了后續(xù)布局布線的收斂、芯片的面積性能功耗。Floorplan一般都是由經(jīng)驗豐富的設計師來完成?，F(xiàn)在Cadence、谷歌也在探索使用AI來實現(xiàn)Floorplan。它包括初始化、布放宏模塊和布放輸入輸出腳等過程。我們需要根據(jù)設計前端所給的數(shù)據(jù)流向，了解設計中各個模塊之間的交互、各個時鐘之間的關系等信息，以規(guī)劃模塊的位置和模塊接口的位置。模塊形狀與設計類型相關，也影響到繞線資源的使用，這在前端中只考慮邏輯功能不同，需要仔細規(guī)劃。低功耗設計則需要提前規(guī)劃好各個電源域的劃分區(qū)域、隔離島等。在布放電源地時，需要根據(jù)芯片功耗估算，添加芯片核心的電源地；根據(jù)SSO、ESD、EM估算，添加輸入輸出腳的電源地。輸入輸出腳添加完成后，根據(jù)宏模塊、IP、IO的面積就可以估算出芯片的面積了。

03

電源及電源網(wǎng)絡分析

在現(xiàn)代低功耗芯片設計中，電源設計是非常重要的一步，包括分析計算所有單元的功耗、靜態(tài)IRDrop和電遷移EM分析。它可以在多個階段進行，如布圖后、電源地布線后、全局布局后、詳細布線后等。它分析電源設計是否合規(guī)。分析計算過程包括線網(wǎng)活動因子計算、電源分析、電源網(wǎng)分析、電網(wǎng)電阻分析、阻抗失配分析、IRDrop分析、EM分析等等。

04

靜態(tài)時序分析

通過建立和使用靜態(tài)時序分析器，以驗證設計符合所有的設計約束，如滿足在所有要求操作條件下的建立和保持時間，或者識別出違反時序的原因所在。靜態(tài)時序分析主要包括數(shù)據(jù)準備、分析條件設置、生成時序報告、分析報告。所需要的數(shù)據(jù)（電路網(wǎng)表、時序庫、約束文件、寄生模型及外部寄生文件）在第一步已經(jīng)讀入到數(shù)據(jù)庫中，這里也可以補充讀取。分析條件則是在一個或多個模式下，考慮PVT、RCX、OCV、CRPR等諸多因素進行設置。根據(jù)分析所需，控制分析器執(zhí)行適當?shù)拿?，得到時序分析報告。對報告進行分析后，執(zhí)行相應的操作。例如，從時序路徑分析報告中，可以看到設計的關鍵路徑，進而執(zhí)行增量式的修改以符合時序需求。

05

定義電源結構

這一步是為電源的繞線創(chuàng)建禁區(qū)，創(chuàng)建電源帶、電源環(huán)、標準單元rail等，定義如何連接到宏模塊的電源腳等，完成電源的繞線，報告電源的狀況。

06

布局及優(yōu)化設計

這一過程包括為布局和優(yōu)化作準備（布局指南和布局分組）、進行無優(yōu)化的布局、插入備用單元（為ECO做準備）和Tap單元、管理掃描鏈（重排或拆分）、進行布局和優(yōu)化、分析布局和優(yōu)化結果，決定是否需要迭代。傳統(tǒng)的時序驅動的布局算法通常會留下很多時序違反，因為它們不能僅僅由布局修正。時序違反由布局后優(yōu)化工具找到后，它就會做很多修改，以符合時序約束的要求，如修改單元尺寸、插入緩沖、分解驅動等，這些操作會逐步降低原始布局的質(zhì)量。因此，為滿足時序和擁擠約束的目標，需要進行多次布局迭代和優(yōu)化。我們工具的布局和優(yōu)化引擎是并行的，從宏固定的預布局開始，就能得到一個最好時序質(zhì)量和最低擁擠程度的全布局。布局和設計優(yōu)化也能在一個布局好的設計上增量式地進行。

07

時鐘樹綜合

布局之后，就是布線工作。我們要首先完成時鐘網(wǎng)絡的布線，因為它們比普通數(shù)據(jù)通路上的線網(wǎng)更重要。在數(shù)字電路中，時序元件的數(shù)據(jù)傳輸是由時鐘控制的。時鐘頻率決定了數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)乃俣?，時鐘頻率也就決定了電路的最終性能。決定時鐘頻率的主要因素有兩個，一是組合邏輯部分的最長電路延時，二是時序元件內(nèi)的時鐘偏斜（clockskew）。

組合邏輯部分可以優(yōu)化的延時不多，時鐘偏斜成為影響電路性能的制約因素。時鐘樹綜合的一個主要目的就是減小時鐘偏斜。時鐘信號是數(shù)字芯片中最長最復雜的信號，從一個時鐘源到達各個時序元件的終端節(jié)點，能形成了一棵樹狀的結構。從時鐘源的扇出很大，負載很大，需要一個時鐘樹結構，通過一級級的器件去驅動最終的葉子節(jié)點。時鐘樹綜合的另一個目的，就是要使同一個時鐘信號到達各個終端節(jié)點的時間相同。采用的辦法也很簡單：在時鐘信號線網(wǎng)上插入buffer或者inverter來平衡信號的延遲。時鐘樹綜合的準備包括標記可用于時鐘樹的buffer/inverter、定義時鐘結構規(guī)則（如繞線、時鐘單元周邊間距、buffer等）、生成時鐘skew約束（即定義各種skew組和時序約束），然后綜合時鐘樹，再對綜合結果進行分析和優(yōu)化，如修復setup時間違反、額外的功耗和面積收復等等。

08

布線及設計優(yōu)化

這一步雖然是一個自動化進行的步驟，但也需要創(chuàng)建布線指南，以指導布線器的運作。過程包括全局布線、總線布線、詳細布線、手動優(yōu)化、添加防護、金屬填充、天線效應修復、光刻修復、繞線到bump等等。

09

工程改動要求ECO

（EngineeringChangeOrder）

ECO是在一個完成或接近完成的設計上，進行一個增量式的改變?？赡苁菍υO計網(wǎng)表、布局或繞線作一個小的改變，而設計的主體部分中不變的部分無須重建。ECO可能涉及到所有層的改變，或者僅僅涉及到金屬層的改變。假若修改的門數(shù)不到整體的5%，那么ECO是值得的。另外，使用usefulskew來進行手工的時鐘樹ECO，也是一項重要的技能。

10

時序調(diào)試

時序調(diào)試的目的，是找到一個方法去修復所有約束違反。我們需要用不同的選項去運行時序分析器，分析各種時序報告，識別可能的時序問題，在GUI和版圖上同時查看關鍵路徑，提升設計的時序。時序的優(yōu)化貫穿著整個數(shù)字電路后端設計全過程。

11

數(shù)據(jù)導出

設計的最后一步，就是電路版圖數(shù)據(jù)GDS的導出。GDS描述了晶體管大小和物理位置、連線的寬度和位置等制造芯片所需的全部信息。對GDS的要求是功能與RTL一致、性能滿足指標、規(guī)格滿足代工廠要求、功耗性能面積（PPA）優(yōu)良。EDA工具強調(diào)的是A，Automation，也就是自動化。這在數(shù)字集成電路后端設計工具中表現(xiàn)尤為突出。要處理規(guī)模大至數(shù)十億晶體管的電路，對所涉及算法的性能、效率、資源占用等都有極高的要求。目前，我們正在努力探索在數(shù)字芯片全流程中應用最新的AI技術、云計算技術等，以滿足各種現(xiàn)代芯片的設計要求。

審核編輯 ：李倩