芯片是什么？芯片的具體設(shè)計(jì)流程又是什么？本文探討的就是芯片在字面以外的意義，以及芯片是怎么被設(shè)計(jì)成的。

芯片

芯片，又稱微電路（microcircuit）、微芯片（microchip）、集成電路（英語(yǔ)：integrated circuit, IC）。是指內(nèi)含集成電路的硅片，體積很小，常常是計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備的一部分。

芯片，英文為Chip；芯片組為Chipset。芯片一般是指集成電路的載體，也是集成電路經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試后的結(jié)果，通常是一個(gè)可以立即使用的獨(dú)立的整體。“芯片”和“集成電路”這兩個(gè)詞經(jīng)?；熘褂茫热缭诖蠹移匠Ｓ懻?a href="http://hljzzgx.com/v/tag/" target="_blank">話題中，集成電路設(shè)計(jì)和芯片設(shè)計(jì)說(shuō)的是一個(gè)意思，芯片行業(yè)、集成電路行業(yè)、IC行業(yè)往往也是一個(gè)意思。實(shí)際上，這兩個(gè)詞有聯(lián)系，也有區(qū)別。集成電路實(shí)體往往要以芯片的形式存在，因?yàn)楠M義的集成電路，是強(qiáng)調(diào)電路本身，比如簡(jiǎn)單到只有五個(gè)元件連接在一起形成的相移振蕩器，當(dāng)它還在圖紙上呈現(xiàn)的時(shí)候，我們也可以叫它集成電路，當(dāng)我們要拿這個(gè)小集成電路來(lái)應(yīng)用的時(shí)候，那它必須以獨(dú)立的一塊實(shí)物，或者嵌入到更大的集成電路中，依托芯片來(lái)發(fā)揮他的作用；集成電路更著重電路的設(shè)計(jì)和布局布線，芯片更強(qiáng)調(diào)電路的集成、生產(chǎn)和封裝。而廣義的集成電路，當(dāng)涉及到行業(yè)（區(qū)別于其他行業(yè)）時(shí)，也可以包含芯片相關(guān)的各種含義。

芯片也有它獨(dú)特的地方，廣義上，只要是使用微細(xì)加工手段制造出來(lái)的半導(dǎo)體片子，都可以叫做芯片，里面并不一定有電路。比如半導(dǎo)體光源芯片；比如機(jī)械芯片，如MEMS陀螺儀；或者生物芯片如DNA芯片。在通訊與信息技術(shù)中，當(dāng)把范圍局限到硅集成電路時(shí)，芯片和集成電路的交集就是在“硅晶片上的電路”上。芯片組，則是一系列相互關(guān)聯(lián)的芯片組合，它們相互依賴，組合在一起能發(fā)揮更大的作用，比如計(jì)算機(jī)里面的處理器和南北橋芯片組，手機(jī)里面的射頻、基帶和電源管理芯片組。

芯片設(shè)計(jì)流程

芯片設(shè)計(jì)分為前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)，前端設(shè)計(jì)（也稱邏輯設(shè)計(jì)）和后端設(shè)計(jì)（也稱物理設(shè)計(jì)）并沒(méi)有統(tǒng)一嚴(yán)格的界限，涉及到與工藝有關(guān)的設(shè)計(jì)就是后端設(shè)計(jì)。

芯片的設(shè)計(jì)原理圖

芯片設(shè)計(jì)之前端設(shè)計(jì)

1. 規(guī)格制定
芯片規(guī)格，也就像功能列表一樣，是客戶向芯片設(shè)計(jì)公司（稱為Fabless，無(wú)晶圓設(shè)計(jì)公司）提出的設(shè)計(jì)要求，包括芯片需要達(dá)到的具體功能和性能方面的要求。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)

Fabless根據(jù)客戶提出的規(guī)格要求，拿出設(shè)計(jì)解決方案和具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，劃分模塊功能。

3. HDL編碼

使用硬件描述語(yǔ)言（VHDL，Verilog HDL，業(yè)界公司一般都是使用后者）將模塊功能以代碼來(lái)描述實(shí)現(xiàn)，也就是將實(shí)際的硬件電路功能通過(guò)HDL語(yǔ)言描述出來(lái)，形成RTL（寄存器傳輸級(jí)）代碼。

4. 仿真驗(yàn)證

仿真驗(yàn)證就是檢驗(yàn)編碼設(shè)計(jì)的正確性，檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)就是第一步制定的規(guī)格?？丛O(shè)計(jì)是否精確地滿足了規(guī)格中的所有要求。規(guī)格是設(shè)計(jì)正確與否的黃金標(biāo)準(zhǔn)，一切違反，不符合規(guī)格要求的，就需要重新修改設(shè)計(jì)和編碼。 設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證是反復(fù)迭代的過(guò)程，直到驗(yàn)證結(jié)果顯示完全符合規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。
仿真驗(yàn)證工具Synopsys的VCS，還有Cadence的NC-Verilog。

5. 邏輯綜合――Design Compiler

仿真驗(yàn)證通過(guò)，進(jìn)行邏輯綜合。邏輯綜合的結(jié)果就是把設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的HDL代碼翻譯成門級(jí)網(wǎng)表netlist。綜合需要設(shè)定約束條件，就是你希望綜合出來(lái)的電路在面積，時(shí)序等目標(biāo)參數(shù)上達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。邏輯綜合需要基于特定的綜合庫(kù)，不同的庫(kù)中，門電路基本標(biāo)準(zhǔn)單元（standard cell）的面積，時(shí)序參數(shù)是不一樣的。所以，選用的綜合庫(kù)不一樣，綜合出來(lái)的電路在時(shí)序，面積上是有差異的。一般來(lái)說(shuō)，綜合完成后需要再次做仿真驗(yàn)證（這個(gè)也稱為后仿真，之前的稱為前仿真）。
邏輯綜合工具Synopsys的Design Compiler。

6. STA

Static Timing Analysis（STA），靜態(tài)時(shí)序分析，這也屬于驗(yàn)證范疇，它主要是在時(shí)序上對(duì)電路進(jìn)行驗(yàn)證，檢查電路是否存在建立時(shí)間（setup time）和保持時(shí)間（hold time）的違例（violation）。這個(gè)是數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)，一個(gè)寄存器出現(xiàn)這兩個(gè)時(shí)序違例時(shí)，是沒(méi)有辦法正確采樣數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的，所以以寄存器為基礎(chǔ)的數(shù)字芯片功能肯定會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。
STA工具有Synopsys的Prime Time。

7. 形式驗(yàn)證

這也是驗(yàn)證范疇，它是從功能上（STA是時(shí)序上）對(duì)綜合后的網(wǎng)表進(jìn)行驗(yàn)證。常用的就是等價(jià)性檢查方法，以功能驗(yàn)證后的HDL設(shè)計(jì)為參考，對(duì)比綜合后的網(wǎng)表功能，他們是否在功能上存在等價(jià)性。這樣做是為了保證在邏輯綜合過(guò)程中沒(méi)有改變?cè)菻DL描述的電路功能。
形式驗(yàn)證工具有Synopsys的Formality。

前端設(shè)計(jì)的流程暫時(shí)寫到這里。從設(shè)計(jì)程度上來(lái)講，前端設(shè)計(jì)的結(jié)果就是得到了芯片的門級(jí)網(wǎng)表電路。

芯片設(shè)計(jì)之后端設(shè)計(jì)

1. DFT
Design For Test，可測(cè)性設(shè)計(jì)。芯片內(nèi)部往往都自帶測(cè)試電路，DFT的目的就是在設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮將來(lái)的測(cè)試。DFT的常見(jiàn)方法就是，在設(shè)計(jì)中插入掃描鏈，將非掃描單元（如寄存器）變?yōu)閽呙鑶卧?。關(guān)于DFT，有些書上有詳細(xì)介紹，對(duì)照?qǐng)D片就好理解一點(diǎn)。
DFT工具Synopsys的DFT Compiler

2. 布局規(guī)劃(FloorPlan)

布局規(guī)劃就是放置芯片的宏單元模塊，在總體上確定各種功能電路的擺放位置，如IP模塊，RAM，I/O引腳等等。布局規(guī)劃能直接影響芯片最終的面積。
工具為Synopsys的Astro

3. CTS

Clock Tree Synthesis，時(shí)鐘樹綜合，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是時(shí)鐘的布線。由于時(shí)鐘信號(hào)在數(shù)字芯片的全局指揮作用，它的分布應(yīng)該是對(duì)稱式的連到各個(gè)寄存器單元，從而使時(shí)鐘從同一個(gè)時(shí)鐘源到達(dá)各個(gè)寄存器時(shí)，時(shí)鐘延遲差異最小。這也是為什么時(shí)鐘信號(hào)需要單獨(dú)布線的原因。
CTS工具，Synopsys的Physical Compiler

4. 布線(Place & Route)

這里的布線就是普通信號(hào)布線了，包括各種標(biāo)準(zhǔn)單元（基本邏輯門電路）之間的走線。比如我們平常聽(tīng)到的0.13um工藝，或者說(shuō)90nm工藝，實(shí)際上就是這里金屬布線可以達(dá)到的最小寬度，從微觀上看就是MOS管的溝道長(zhǎng)度。
工具Synopsys的Astro

5. 寄生參數(shù)提取

由于導(dǎo)線本身存在的電阻，相鄰導(dǎo)線之間的互感,耦合電容在芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生信號(hào)噪聲，串?dāng)_和反射。這些效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問(wèn)題，導(dǎo)致信號(hào)電壓波動(dòng)和變化，如果嚴(yán)重就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真錯(cuò)誤。提取寄生參數(shù)進(jìn)行再次的分析驗(yàn)證，分析信號(hào)完整性問(wèn)題是非常重要的。
工具Synopsys的Star-RCXT

6. 版圖物理驗(yàn)證

對(duì)完成布線的物理版圖進(jìn)行功能和時(shí)序上的驗(yàn)證，驗(yàn)證項(xiàng)目很多，如LVS（Layout Vs Schematic）驗(yàn)證，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是版圖與邏輯綜合后的門級(jí)電路圖的對(duì)比驗(yàn)證；DRC（Design Rule Checking）：設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，檢查連線間距，連線寬度等是否滿足工藝要求， ERC（Electrical Rule Checking）：電氣規(guī)則檢查，檢查短路和開(kāi)路等電氣 規(guī)則違例；等等。
工具為Synopsys的Hercules

實(shí)際的后端流程還包括電路功耗分析，以及隨著制造工藝不斷進(jìn)步產(chǎn)生的DFM（可制造性設(shè)計(jì)）問(wèn)題，在此不說(shuō)了。

物理版圖驗(yàn)證完成也就是整個(gè)芯片設(shè)計(jì)階段完成，下面的就是芯片制造了。物理版圖以GDS II的文件格式交給芯片代工廠（稱為Foundry）在晶圓硅片上做出實(shí)際的電路，再進(jìn)行封裝和測(cè)試，就得到了我們實(shí)際看見(jiàn)的芯片。

芯片設(shè)計(jì)之工藝文件

在芯片的設(shè)計(jì)重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，像綜合與時(shí)序分析，版圖繪制等都需要用到工藝庫(kù)文件，而大家往往又對(duì)工藝文件缺乏認(rèn)識(shí)，所以導(dǎo)致想自學(xué)一些芯片設(shè)計(jì)的東西就顯得很困難。例如，沒(méi)有工藝版圖庫(kù)文件，學(xué)習(xí)版圖設(shè)計(jì)就是紙上談兵。這篇文章主要介紹一下工藝庫(kù)相關(guān)的知識(shí)。

工藝文件由芯片制造廠提供，所以概括性的了解國(guó)內(nèi)和國(guó)際上有哪些芯片制造廠是很有必要的。國(guó)際上，主要有臺(tái)積電，英特爾，三星等主要半導(dǎo)體制造商。國(guó)內(nèi)，主要有中芯國(guó)際，華潤(rùn)上華，深圳方正等公司。這些公司都提供相關(guān)的工藝庫(kù)文件，但前提是要與這些公司進(jìn)行合作才能獲取，這些工藝文件都屬于機(jī)密性文件。

完整工藝庫(kù)文件主要組成為：

1，模擬仿真工藝庫(kù)，主要以支持spectre和hspice這兩個(gè)軟件為主，后綴名為scs——spectre使用，lib——hspice使用。

2，模擬版圖庫(kù)文件，主要是給cadence版圖繪制軟件用，后綴名為tf,drf。

3，數(shù)字綜合庫(kù)，主要包含時(shí)序庫(kù)，基礎(chǔ)網(wǎng)表組件等相關(guān)綜合及時(shí)序分析所需要用到的庫(kù)文件。主要是用于DC軟件綜合，PT軟件時(shí)序分析用。

4，數(shù)字版圖庫(kù)，主要是給cadence encounter軟件用于自動(dòng)布局布線，當(dāng)然自動(dòng)布局布線工具也會(huì)用到時(shí)序庫(kù)，綜合約束文件等。

5，版圖驗(yàn)證庫(kù)，主要有DRC,LVS檢查。有的是專門支持calibre,有的專門支持dracula,diva等版圖檢查工具用。每一種庫(kù)文件都有相應(yīng)的pdf說(shuō)明文檔。

反向設(shè)計(jì)會(huì)用到1，2，5等工藝庫(kù)文件，3和4是不會(huì)用到了。正向設(shè)計(jì)（從代碼開(kāi)始設(shè)計(jì)的正向設(shè)計(jì)）則所有的文件都需要用到。由于工藝文件在芯片設(shè)計(jì)中占有極重要的位置，在每一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都要用到，再加上它的機(jī)密屬性，所以網(wǎng)絡(luò)上很難找到完整的工藝文件對(duì)于個(gè)人學(xué)習(xí)用，EETOP上有一份cadence公開(kāi)的用于個(gè)人學(xué)習(xí)的工藝庫(kù)文件可以方便大家學(xué)習(xí)，但似乎也是不完整的。

芯片設(shè)計(jì)之綜合

什么是綜合？綜合就是將RTL級(jí)verilog代碼用Design Compiler 工具 轉(zhuǎn)換/映射成用基礎(chǔ)門級(jí)單元表示的電路的過(guò)程?；A(chǔ)門級(jí)單元也就是平時(shí)我們學(xué)的與非門，或非門，寄存器之類的，只不過(guò)，這些門級(jí)單元已經(jīng)做成了標(biāo)準(zhǔn)的單元庫(kù)，我們可以直接使用軟件來(lái)調(diào)用，而不需要自己調(diào)用門級(jí)單元來(lái)搭建電路。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，Design Compiler軟件就是做翻譯的工作——將代碼翻譯成實(shí)際電路，但又不僅僅是翻譯這么簡(jiǎn)單，它涉及到電路的優(yōu)化與時(shí)序約束，使之符合我們做制定的性能要求。 前文提到該軟件是約束驅(qū)動(dòng)型軟件，那么約束從何而來(lái)？答案是，設(shè)計(jì)規(guī)格書。每一個(gè)芯片設(shè)計(jì)項(xiàng)目都會(huì)有一個(gè)項(xiàng)目規(guī)格說(shuō)明書，這是在芯片設(shè)計(jì)之初，整體規(guī)劃（見(jiàn)前文）的步驟中要制定好的。具體詳細(xì)的約束要求需要在綜合過(guò)程中仔細(xì)的斟酌決定。 綜合的一般流程：

1，預(yù)綜合過(guò)程；

2，施加設(shè)計(jì)約束過(guò)程；

3，設(shè)計(jì)綜合過(guò)程；

4，后綜合過(guò)程。

PS，使用Design Compiler軟件一個(gè)必備的條件是要學(xué)會(huì)使用DC TCL腳本。

預(yù)綜合過(guò)程。這部分主要是準(zhǔn)備好綜合過(guò)程所使用的庫(kù)文件（包括工藝庫(kù)、鏈接庫(kù)、符號(hào)庫(kù)、綜合庫(kù)）、設(shè)計(jì)輸入文件，設(shè)置好環(huán)境參數(shù)。

施加設(shè)計(jì)約束過(guò)程。這部分主要是用DC TCL腳本編寫約束文件。具體的約束項(xiàng)目可以分為三大類：

a,面積約束，定義時(shí)鐘，約束輸入/輸出路徑；

b（環(huán)境屬性）,約束輸入驅(qū)動(dòng)，約束輸出負(fù)載，設(shè)置工作條件（最好、典型、最差情況），設(shè)置連線負(fù)載模型；

c（高級(jí)時(shí)鐘約束）,對(duì)時(shí)鐘的抖動(dòng)、偏移、時(shí)鐘源延遲，同步多時(shí)鐘，異步時(shí)鐘，多周期路徑，這幾類進(jìn)行細(xì)致的約束。

約束的內(nèi)容具體就是這么多。一個(gè)詳細(xì)的TCL腳本約束文件基本包含上述所有的約束。后面有一個(gè)約束范文。

設(shè)計(jì)綜合過(guò)程。主要是介紹電路模塊設(shè)計(jì)規(guī)劃（以利于更好的進(jìn)行約束），Design Compiler綜合優(yōu)化的過(guò)程（三大優(yōu)化階段，結(jié)構(gòu)級(jí)，邏輯級(jí)，門級(jí)），時(shí)序分析的具體過(guò)程等綜合過(guò)程中的一些詳細(xì)信息。

后綜合過(guò)程。綜合完畢該怎么看結(jié)果，時(shí)序違反該如何解決？這就是后綜合過(guò)程所要解決的問(wèn)題。在綜合之后，通過(guò)分析綜合報(bào)告，可以得知此次的電路綜合結(jié)果如何，根據(jù)不符合的要求，進(jìn)行重新約束，甚至重新設(shè)計(jì)電路。在這個(gè)階段特別值得一提的是綜合預(yù)估，因?yàn)樵趯懢C合約束腳本的時(shí)候，需要確定約束條件，規(guī)格書一般不能夠涉及到如此細(xì)節(jié)的部分，所以需要根據(jù)實(shí)際電路進(jìn)行綜合預(yù)估，這個(gè)步驟是在代碼編寫完之后，與驗(yàn)證同時(shí)進(jìn)行的，目的在于大致估計(jì)電路是否符合要求，此時(shí)的預(yù)綜合過(guò)程與正式的綜合過(guò)成是一樣的，但，要求會(huì)寬松許多，時(shí)序違反的要求大概為10%-15%，也就是說(shuō)電路即使有10%-15%的電路不滿足時(shí)序也沒(méi)有關(guān)系。

綜合約束過(guò)程是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程，需要多次設(shè)計(jì)預(yù)估，這樣才能不斷修正時(shí)序違反。范文：

# Set the current_design #

read_verilog {counter_pad.v counter.v} //讀取設(shè)計(jì)文件

current_design Cnt10_PAD

link

set_operating_conditions -max slow -max_library slow -min fast -min_library fast //設(shè)置工作條件

set_wire_load_mode enclosed //設(shè)置連線負(fù)載模型

set_wire_load_model -name tsmc18_wl10 -library slow //設(shè)置連線負(fù)載模型

set_local_link_library {slow.db fast.db}//設(shè)置鏈接庫(kù)

set_max_area 0 //設(shè)置面積

set_max_fanout 5 [get_ports reset_n]//設(shè)置最大扇出

set_max_fanout 4 [get_ports clk] //設(shè)置最大扇出

set_max_fanout 4 [get_ports in_ena]//設(shè)置最大扇出

set_max_transition 0.3 [get_ports reset_n]//設(shè)置信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)間

set_max_transition 0.3 [get_ports clk]//設(shè)置信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)間

set_max_transition 0.5 [get_ports in_ena]//設(shè)置信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)間

create_clock [get_ports clk]-period 10 -waveform. {0 5}//創(chuàng)建時(shí)鐘

set_clock_latency 1[get_clocks clk]//設(shè)置時(shí)鐘源延時(shí)

set_clock_latency -source 1[get_clocks clk]

set_clock_uncertainty -setup 0.5[get_clocks clk]//設(shè)置時(shí)鐘不確定度

set_clock_uncertainty -hold 0.4[get_clocks clk]

set_dont_touch_network [get_clocks clk]//設(shè)置偽路徑，不要約束

set_clock_transition -fall 0.3 [get_clocks clk]////設(shè)置下降沿信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)間

set_clock_transition -rise 0.3 [get_clocks clk]///設(shè)置上升沿沿信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)間

set_input_delay -clock clk-max 3[get_ports in_ena]//設(shè)置輸入延時(shí)

set_output_delay -clock clk -max 4 [get_ports cnt]//設(shè)置輸出延時(shí)

set_output_delay -clock clk -min 0.5 [get_ports cnt]

set_output_delay -clock clk-max 4[get_ports carry_ena]

set_output_delay -clock clk-min 0.5[get_ports carry_ena]

compile//編譯

report_timing -delay max > ./reports/pad_setup_rt.rpt//報(bào)告最大時(shí)序延時(shí)

report_timing -delay min > ./reports/pad_hold_rt.rpt//報(bào)告最小時(shí)序延時(shí)

report_constraint -verbose > ./reports/pad_rc.rpt

report_qor > ./reports/pad_rq.rpt

remove_unconnected_ports -blast_buses [get_cells -hierarchical *]

set bus_inference_style. {%s[%d]}

set bus_naming_style. {%s[%d]}

set hdlout_internal_busses true

change_names -hierarchy -rule verilog

define_name_rules name_rule -allowed {a-z A-Z 0-9 _} -max_length 255 -type cell

define_name_rules name_rule -allowed {a-z A-Z 0-9 _[]} -max_length 255 -type net

define_name_rules name_rule -map {{"\\*cell\\*" "cell"}}

define_name_rules name_rule -case_insensitive

change_names -hierarchy -rules name_rule

write -format verilog -hier -o ./outputs/pad_counter.sv

write -format ddc -hier -o ./outputs/pad_counter.ddc

write_sdc ./outputs/pad_counter.sdc

write_sdf ./outputs/pad_counter.sdf

總結(jié)

芯片設(shè)計(jì)的過(guò)程中是十分復(fù)雜，本文也是簡(jiǎn)單的將芯片設(shè)計(jì)流程梳理一遍，復(fù)雜的就不再贅述了。