说说芯片设计这点事
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2016-01-17 EETOP论坛原创 EETOP
作者：EETOP会员 vista2002
芯片设计这个行当 ,从大的方面讲,主要分模拟和数字两大块, 而每大块又分前端和后端, 我想大部分同学对这个肯定是非常清楚的, 下面就数字电路聊聊芯片设计的一些事情,就是芯片设计有哪些活做, 这并不是全面完整的系统介绍，只是个人的了解和总结， 希望抛砖引玉，也许不全面, 不正确, 欢迎同学们指正和补充。
说到数字芯片,不能不说FPGA, 这种是可编程的数字电路, 用法原理也不说了, 数字电路设计的目标,就是把这些功能,做成我们自己专用的ASIC/SOC, 这样无论面积, 成本或者安全性等等都能有保证。
从流程上讲, 数字芯片设计的大致步骤就是系统与功能定义,RTL实现 验证, 综合及可测试性设计(synthesize , DFT ), ATPG仿真， 时序分析， 到自动布局布线(APR). 直至交付fab的GDS网表。
这个流程是可以反复迭代的, 当对于不同类型芯片, 如纯数ASIC或混合电路(mix-signal及系统级芯片(SOC), 每一步的方法和具体实施流程上可能又有所差异.下面就这些基本流程分步谈一些主要问题。
系统设计主要设计到功能定义及架构设计, 总线架构的配置，模块设计,数据流的分配, 时钟的设计等问题。总线包括模块之间，模块与MCU核之间，或者外部主机和芯片之间通信，或者测试需要等等一系列因素。 时钟涉及到数据流的规划, 通信接口或内部MCU的时钟约定，工艺条件,功耗等因素。模块需要明确接口和定义。
在系统级设计上， 特别是很多数模混合电路中或对功耗有特别要求的电路中，还要有电压域的设计，不同模块之间，功能模块和接口之间可能都需要根据工艺条件，功耗要求设置不同的电压。
无论是时钟，还是电压，都可以通过控制开关来实现功耗的要求，时钟实现比较简单，在大部分电路中都可以实现这种时钟控制，电压控制一般是实现在集成有电源管理芯片的较大规模芯片上。但未来趋势是即使没有电源管理芯片，电压的gating也需要纳入考虑范围。
在 SOC系统设计上，一个重要的环节是MCU 内核的选型，现在常用的内核一般是ARM, 较老的ARM7, Arm9等系列，较新的是三大系列cortex A , R, M, 具体的用途不做详细诉述，选定好后核需要根据需要进行设置，一般做硬件的人不需要对它的指令集了解太多，但是需要了解它的总线接口，数据总线，指令总线， 以及存储系统的设计，一般需要安排ROM， RAM分别作为指令和数据存储器，由于ROM是不可更改的，一般也需要加入flash作为补丁程序写入地。也可能需要外部存储器或者DMA控制器来增加外 部存储空间。地址的分配是按照功能需要来进行的，现在有很多工具如synopsys的DesignKits可以产生外部总线代码及进行地址分配。
第一步完成系统和功能定义后, 就要实施的就是RTL实现, RTL是专门描述硬件电路的工具语言, 有verilog和VHDL, RTL的特点就是硬件上的同时触发性,不同于软件的按顺序执行, 电路有时序逻辑和组合逻辑组成, 时序逻辑在物理构成上就是一些寄存器,这些寄存器受时钟控制, 寄存器代表了电路中数据或控制信号, 这些信号受时钟的驱动流动. 组合逻辑是不受时钟控制的电路块, 组合逻辑顾名思义,通过一些信号的组合直接生成一些逻辑结果。
RTL设计中,一大问题是异步设计问题,异步数据的处理根据不同情况有很多方式, 最简单的,如果对异步的电平信号, 可以直接在新的时钟域中加2级寄存器来隔离,避免不定态的发生. 当如果对于总线的处理, 或者脉冲的处理, 则需要同步模块, 同步模快一般是指需要握手信号,就是前一级时钟告诉采样的时钟,信号ok了, 采样的第二个时钟再去采,采好后再告诉前一级时钟,我搞定了,那样前一级时钟就可以换数据或其他处理。
有一种情况就是前一级时钟太快, 造成第二级来不及,则需要加入FIFO作为隔离, 就是让那些数据先放好, 我在慢慢来取. 这个FIFO的设计涉及到读写地址的判断,写满或读空都需要做相应处理, 读写地址之间的判断只能在其中一个时钟域中进行, 这本身又涉及异步信号的处理问题,这一般用格雷玛解决, 或者有些地方直接可以判断地址高位, 这些方法的目的就是不能让地址在比较的时候不稳定。
RTL设计中时钟本身的设计问题也要注意, 我们在一个芯片中, 尽量把时钟产生电路放在一块,主要是从综合, DFT的角度去考虑的, 让这些时钟统一管理和约束。 时钟的分频,切换也要专门处理,否则容易产生毛刺等事情。
RTL设计中还有很多需要注意的问题,比如可综合性, 还有要考虑到电路的面积, 以及响应速度等等, 这些问题是RTL coding的基础问题。
代码写完后，需要进行的是验证工作， 下面谈谈这方面的事情：
上次写完后，有人支持，也有个朋友说写这些东西意义不大吧，如果就某些细节方面感兴趣的朋友可以探讨和切磋，互相学习，也可以私下交流。
这只是我的角度去写这些东西，希望大家指正和补充。下面接前天的，继续验证部分。
芯片验证一般有这几个层面, 一个是RTL级或者Netlist( pre or post PR with SDF ), 这个也是一般意义上的芯片验证工作, 一个是FPGA级的,也是RTL, 只不过download到FPGA中, 借助硬件环境，也可以直接做应用实验。
芯片验证的工作量在芯片设计中占据了大部分的时间和精力，无论是那种验证，都需要搭建测试平台(testbench)，验证平台从软件结构上模拟芯片的工作 环境。即有清晰的连线结构，也有完成这些测试所需要的非结构性的函数或任务包。测试平台中的被测试芯片是RTL级的，测试向量或者说施加的激励可以是 verilog/VHDL，HDL语言本身就具有比较完善的行为级描述功能，也可以满足绝大部分测试平台的搭建和测试激励的产生，当然我们面对更复杂设 计，或追求更高效率 也可以使用其它被编译器兼容的语言， 如C/C++, SC, SV,E等等。
很显然，测试激励是有时间概念的，是按顺序进入和流出芯片的，使用的这些非电路描述语言和功能和软件几乎是没有区别的，所以验证中也越来越多地使用软件的一 些技术， 如面向对象的编程技术，SystemVerilog, Specman E等，SV也支持断言语句(assertion)，不同厂家提供的OVM, VMM，UVM等也包括了很多类库可供使用。 关于这些技术其实可以有更深入的探讨，也期待感兴趣的能深入展开。
无论传统的验证还是最新的验证方法学，都需要追求验证的收敛性，即验证完全是自动化的检测，除非debug， 我们无需通过波形判断测试通过与否。
对于很多验证，我们几乎不需要上到FPGA上验证，比如数据通信类，完全可以软件实现数据的产生和比对。而有些应用，如影视频，图形抓取等等，如果进入 FPGA就可以实现效果功能的检验，FPGA的流程这里不做表述，不过要注意的是，我们用作流片的RTL代码可能和待烧入FPGA的代码有不同之处，比如 有些使用的IP在FPGA中可能和流片厂家提供的不一样，还有些端口等等需要特别注意。
还有post layout的后仿，这个后仿是指DFT和APR之后的网表，加入带有时序信息的SDF文件进行仿真。有些人说，我做过验证，代码和网表之间，PR前后网 表之间的一致性验证也做了，还需要后仿吗？ 答案当然还是需要的，因为一致性也无法检测到很多时序的问题，比如毛刺，甚至DFT的错误， 功能性的问题等等。
现在比较常见数模混合芯片的验证，模拟的部分主要是采用了 verilogams建模，当然也有VHDLRN建模等等，这些东西就是引入了可控制和可检测的模拟量，进入数字仿真系统，也是数字验证流程的一环。 更专业的数模混合验证系统ADMS, 里面引入了数字和模拟多个引擎，如数字的nvverilog 模拟的Eldo等等，数字部分导入RTL代码，模拟部分直接导入GDS电路， 当然为了加快速度，模拟部分在使用中一般仍然导入数字模型。
SOC验证中， 植入了烧入ROM的软件， 在仿真验证系统中，使用的一般是存储器的模型加上文本格式的代码文件， 一般实现是直接通过系统读入指令把文件读入到存储器模型中。(有些仿真工具可以直接通过选项导入，类似SDF文件，如工具nscim)，仿真器可以直接写 出指令执行的log以用于debug,不过现在有更先进的方式用于复杂SOC验证， 如Codelink工具，能够在原仿真器的基础上，建立起MCU和HDL电路已经软件的关系，通过展示波形和固件(firmware)源码的链接进行更方 便的debug。
下面需要说的实现部分，就是综合，DFT, STA ,ATPG等，准备合在一起写，感兴趣的朋友也可以接着我的写，我暂时不做这方面的更新，希望朋友们玩个接力。
（此处略去若干回帖。。。。。）
帖子的话题受到了大家关注， 也被加精 ， 受到鼓舞， 一直想继续写完，但时间有限，更主要惰性使然， 一直没有接着写完， 今日得宽裕，继续谈谈数字 IC设计接下来的一些工作 。
不过在继续之前， 我要说的是， 其实我之前写的也不够完善， 只是想到了就随之敲下来了， 不够完整 ，特别是现在的芯片设计， 不同的产品，要求不同， 所设计的步骤也不完全一致 。比如， 对于很多设计数字电路可能实现建立软件模型，
来评估我们的频率，资源，或者数字信号处理中的信噪比等一些指标， 这些都是在规格定义之后， 电路设计之前需要做的一些工作。
在芯片完成了设计与验证之后， 我们要做的工作 就是把它装化成GDS网表，就是所谓的implementation(电路实现),这其中的流程包括综合,DFT, formality, STA, ATPG pattern generation 和仿真（和功能验证一样也包括前后仿）， 再进入后端的PR/LVS/DRC 的流程 ，这个属于物理设计， 当然这个流程 是笼统的
，这里主要讲几个后端物理设计之前的前端实现的几个步骤 。
综合的原理比较直观，从RTL到GTECH库到厂家工艺库的编译翻译映射与替代， 综合需要输入的就是时钟约束即sdc文件，sdc是设计与产品的使用要求决定的。
DFT包括好几种类型， Scan chain是最常见的一种，这个可以在综合步骤中一起做，也可以在综合之后进行，扫描链的多少和芯片本身的规模和芯片可提供的可测试芯片管脚有关，
尽量扫描链的长度越短越好，以缩短测试时间；由于有些片子的管脚有限，需要压缩扫描链；甚至有些芯片由于可复用的管脚太少，进入测试模式都需要在功能模式下由主机的设定， 设定后再退出功能模式。
扫描链的插入后可以由工具产生ATPG的 pattern, DFT成功与否要看测试覆盖率，一般在95%以上说明就差不多ok了， 如果覆盖率偏低,需要追究原因，一般看有没有漏掉的DFF，以及为什么会溜掉，一般主要原因不是这个， 是一些不可控的节点造成了覆盖率低，需要在电路中做一些处理来使之能 有相关 ATPG产生，如加入测试模式生效的可选的DFF或者电平/地 。
有些电路包括了ROM/RAM,需要给ROM/RAM本身加入内建自测电路(BIST), 一般如果带有MCU的SOC,其实也可以通过软件来完成RAM测试，不一定加入BIST, 但是植入CPU软件的ROM肯定必须有BIST电路来完成自测，自测电路的原理很简单， 就是判断写入和读出的数据是否吻合， 否则会 BIST电路会给出错误的标识。
Boundary scan chain是另一种DFT, 很容易理解的是，我们可以控制芯片各个pad的输入输出值， 这样它的作用可以应用于板级调试。
formaliry或者说equence check, 主要检查综合，DFT以及后端PR之后和各自步骤之前的RTL/网表的等效性。
STA是静态时序分析， 主要用在芯片完成后端流程后，也检查是否满足时序要求， 特别是插入了时钟树之后，这是需要后端工具(ICC/Encounter等)反标出的sdf文件来进行分析 。细节不表。STA完成后才可以进行功能后仿和ATPG pattern的后仿 。
作者：EETOP会员 vista2002
芯片设计这个行当 ,从大的方面讲,主要分模拟和数字两大块, 而每大块又分前端和后端, 我想大部分同学对这个肯定是非常清楚的, 下面就数字电路聊聊芯片设计的一些事情,就是芯片设计有哪些活做, 这并不是全面完整的系统介绍，只是个人的了解和总结， 希望抛砖引玉，也许不全面, 不正确, 欢迎同学们指正和补充。
说到数字芯片,不能不说FPGA, 这种是可编程的数字电路, 用法原理也不说了, 数字电路设计的目标,就是把这些功能,做成我们自己专用的ASIC/SOC, 这样无论面积, 成本或者安全性等等都能有保证。
从流程上讲, 数字芯片设计的大致步骤就是系统与功能定义,RTL实现 验证, 综合及可测试性设计(synthesize , DFT ), ATPG仿真， 时序分析， 到自动布局布线(APR). 直至交付fab的GDS网表。
这个流程是可以反复迭代的, 当对于不同类型芯片, 如纯数ASIC或混合电路(mix-signal及系统级芯片(SOC), 每一步的方法和具体实施流程上可能又有所差异.下面就这些基本流程分步谈一些主要问题。
系统设计主要设计到功能定义及架构设计, 总线架构的配置，模块设计,数据流的分配, 时钟的设计等问题。总线包括模块之间，模块与MCU核之间，或者外部主机和芯片之间通信，或者测试需要等等一系列因素。 时钟涉及到数据流的规划, 通信接口或内部MCU的时钟约定，工艺条件,功耗等因素。模块需要明确接口和定义。
在系统级设计上， 特别是很多数模混合电路中或对功耗有特别要求的电路中，还要有电压域的设计，不同模块之间，功能模块和接口之间可能都需要根据工艺条件，功耗要求设置不同的电压。
无论是时钟，还是电压，都可以通过控制开关来实现功耗的要求，时钟实现比较简单，在大部分电路中都可以实现这种时钟控制，电压控制一般是实现在集成有电源管理芯片的较大规模芯片上。但未来趋势是即使没有电源管理芯片，电压的gating也需要纳入考虑范围。
在 SOC系统设计上，一个重要的环节是MCU 内核的选型，现在常用的内核一般是ARM, 较老的ARM7, Arm9等系列，较新的是三大系列cortex A , R, M, 具体的用途不做详细诉述，选定好后核需要根据需要进行设置，一般做硬件的人不需要对它的指令集了解太多，但是需要了解它的总线接口，数据总线，指令总线， 以及存储系统的设计，一般需要安排ROM， RAM分别作为指令和数据存储器，由于ROM是不可更改的，一般也需要加入flash作为补丁程序写入地。也可能需要外部存储器或者DMA控制器来增加外 部存储空间。地址的分配是按照功能需要来进行的，现在有很多工具如synopsys的DesignKits可以产生外部总线代码及进行地址分配。
第一步完成系统和功能定义后, 就要实施的就是RTL实现, RTL是专门描述硬件电路的工具语言, 有verilog和VHDL, RTL的特点就是硬件上的同时触发性,不同于软件的按顺序执行, 电路有时序逻辑和组合逻辑组成, 时序逻辑在物理构成上就是一些寄存器,这些寄存器受时钟控制, 寄存器代表了电路中数据或控制信号, 这些信号受时钟的驱动流动. 组合逻辑是不受时钟控制的电路块, 组合逻辑顾名思义,通过一些信号的组合直接生成一些逻辑结果。
RTL设计中,一大问题是异步设计问题,异步数据的处理根据不同情况有很多方式, 最简单的,如果对异步的电平信号, 可以直接在新的时钟域中加2级寄存器来隔离,避免不定态的发生. 当如果对于总线的处理, 或者脉冲的处理, 则需要同步模块, 同步模快一般是指需要握手信号,就是前一级时钟告诉采样的时钟,信号ok了, 采样的第二个时钟再去采,采好后再告诉前一级时钟,我搞定了,那样前一级时钟就可以换数据或其他处理。
有一种情况就是前一级时钟太快, 造成第二级来不及,则需要加入FIFO作为隔离, 就是让那些数据先放好, 我在慢慢来取. 这个FIFO的设计涉及到读写地址的判断,写满或读空都需要做相应处理, 读写地址之间的判断只能在其中一个时钟域中进行, 这本身又涉及异步信号的处理问题,这一般用格雷玛解决, 或者有些地方直接可以判断地址高位, 这些方法的目的就是不能让地址在比较的时候不稳定。
RTL设计中时钟本身的设计问题也要注意, 我们在一个芯片中, 尽量把时钟产生电路放在一块,主要是从综合, DFT的角度去考虑的, 让这些时钟统一管理和约束。 时钟的分频,切换也要专门处理,否则容易产生毛刺等事情。
RTL设计中还有很多需要注意的问题,比如可综合性, 还有要考虑到电路的面积, 以及响应速度等等, 这些问题是RTL coding的基础问题。
代码写完后，需要进行的是验证工作， 下面谈谈这方面的事情：
上次写完后，有人支持，也有个朋友说写这些东西意义不大吧，如果就某些细节方面感兴趣的朋友可以探讨和切磋，互相学习，也可以私下交流。
这只是我的角度去写这些东西，希望大家指正和补充。下面接前天的，继续验证部分。
芯片验证一般有这几个层面, 一个是RTL级或者Netlist( pre or post PR with SDF ), 这个也是一般意义上的芯片验证工作, 一个是FPGA级的,也是RTL, 只不过download到FPGA中, 借助硬件环境，也可以直接做应用实验。
芯片验证的工作量在芯片设计中占据了大部分的时间和精力，无论是那种验证，都需要搭建测试平台(testbench)，验证平台从软件结构上模拟芯片的工作 环境。即有清晰的连线结构，也有完成这些测试所需要的非结构性的函数或任务包。测试平台中的被测试芯片是RTL级的，测试向量或者说施加的激励可以是 verilog/VHDL，HDL语言本身就具有比较完善的行为级描述功能，也可以满足绝大部分测试平台的搭建和测试激励的产生，当然我们面对更复杂设 计，或追求更高效率 也可以使用其它被编译器兼容的语言， 如C/C++, SC, SV,E等等。
很显然，测试激励是有时间概念的，是按顺序进入和流出芯片的，使用的这些非电路描述语言和功能和软件几乎是没有区别的，所以验证中也越来越多地使用软件的一 些技术， 如面向对象的编程技术，SystemVerilog, Specman E等，SV也支持断言语句(assertion)，不同厂家提供的OVM, VMM，UVM等也包括了很多类库可供使用。 关于这些技术其实可以有更深入的探讨，也期待感兴趣的能深入展开。
无论传统的验证还是最新的验证方法学，都需要追求验证的收敛性，即验证完全是自动化的检测，除非debug， 我们无需通过波形判断测试通过与否。
对于很多验证，我们几乎不需要上到FPGA上验证，比如数据通信类，完全可以软件实现数据的产生和比对。而有些应用，如影视频，图形抓取等等，如果进入 FPGA就可以实现效果功能的检验，FPGA的流程这里不做表述，不过要注意的是，我们用作流片的RTL代码可能和待烧入FPGA的代码有不同之处，比如 有些使用的IP在FPGA中可能和流片厂家提供的不一样，还有些端口等等需要特别注意。
还有post layout的后仿，这个后仿是指DFT和APR之后的网表，加入带有时序信息的SDF文件进行仿真。有些人说，我做过验证，代码和网表之间，PR前后网 表之间的一致性验证也做了，还需要后仿吗？ 答案当然还是需要的，因为一致性也无法检测到很多时序的问题，比如毛刺，甚至DFT的错误， 功能性的问题等等。
现在比较常见数模混合芯片的验证，模拟的部分主要是采用了 verilogams建模，当然也有VHDLRN建模等等，这些东西就是引入了可控制和可检测的模拟量，进入数字仿真系统，也是数字验证流程的一环。 更专业的数模混合验证系统ADMS, 里面引入了数字和模拟多个引擎，如数字的nvverilog 模拟的Eldo等等，数字部分导入RTL代码，模拟部分直接导入GDS电路， 当然为了加快速度，模拟部分在使用中一般仍然导入数字模型。
SOC验证中， 植入了烧入ROM的软件， 在仿真验证系统中，使用的一般是存储器的模型加上文本格式的代码文件， 一般实现是直接通过系统读入指令把文件读入到存储器模型中。(有些仿真工具可以直接通过选项导入，类似SDF文件，如工具nscim)，仿真器可以直接写 出指令执行的log以用于debug,不过现在有更先进的方式用于复杂SOC验证， 如Codelink工具，能够在原仿真器的基础上，建立起MCU和HDL电路已经软件的关系，通过展示波形和固件(firmware)源码的链接进行更方 便的debug。
下面需要说的实现部分，就是综合，DFT, STA ,ATPG等，准备合在一起写，感兴趣的朋友也可以接着我的写，我暂时不做这方面的更新，希望朋友们玩个接力。
（此处略去若干回帖。。。。。）
帖子的话题受到了大家关注， 也被加精 ， 受到鼓舞， 一直想继续写完，但时间有限，更主要惰性使然， 一直没有接着写完， 今日得宽裕，继续谈谈数字 IC设计接下来的一些工作 。
不过在继续之前， 我要说的是， 其实我之前写的也不够完善， 只是想到了就随之敲下来了， 不够完整 ，特别是现在的芯片设计， 不同的产品，要求不同， 所设计的步骤也不完全一致 。比如， 对于很多设计数字电路可能实现建立软件模型，
来评估我们的频率，资源，或者数字信号处理中的信噪比等一些指标， 这些都是在规格定义之后， 电路设计之前需要做的一些工作。
在芯片完成了设计与验证之后， 我们要做的工作 就是把它装化成GDS网表，就是所谓的implementation(电路实现),这其中的流程包括综合,DFT, formality, STA, ATPG pattern generation 和仿真（和功能验证一样也包括前后仿）， 再进入后端的PR/LVS/DRC 的流程 ，这个属于物理设计， 当然这个流程 是笼统的
，这里主要讲几个后端物理设计之前的前端实现的几个步骤 。
综合的原理比较直观，从RTL到GTECH库到厂家工艺库的编译翻译映射与替代， 综合需要输入的就是时钟约束即sdc文件，sdc是设计与产品的使用要求决定的。
DFT包括好几种类型， Scan chain是最常见的一种，这个可以在综合步骤中一起做，也可以在综合之后进行，扫描链的多少和芯片本身的规模和芯片可提供的可测试芯片管脚有关，
尽量扫描链的长度越短越好，以缩短测试时间；由于有些片子的管脚有限，需要压缩扫描链；甚至有些芯片由于可复用的管脚太少，进入测试模式都需要在功能模式下由主机的设定， 设定后再退出功能模式。
扫描链的插入后可以由工具产生ATPG的 pattern, DFT成功与否要看测试覆盖率，一般在95%以上说明就差不多ok了， 如果覆盖率偏低,需要追究原因，一般看有没有漏掉的DFF，以及为什么会溜掉，一般主要原因不是这个， 是一些不可控的节点造成了覆盖率低，需要在电路中做一些处理来使之能 有相关 ATPG产生，如加入测试模式生效的可选的DFF或者电平/地 。
有些电路包括了ROM/RAM,需要给ROM/RAM本身加入内建自测电路(BIST), 一般如果带有MCU的SOC,其实也可以通过软件来完成RAM测试，不一定加入BIST, 但是植入CPU软件的ROM肯定必须有BIST电路来完成自测，自测电路的原理很简单， 就是判断写入和读出的数据是否吻合， 否则会 BIST电路会给出错误的标识。
Boundary scan chain是另一种DFT, 很容易理解的是，我们可以控制芯片各个pad的输入输出值， 这样它的作用可以应用于板级调试。
formaliry或者说equence check, 主要检查综合，DFT以及后端PR之后和各自步骤之前的RTL/网表的等效性。
STA是静态时序分析， 主要用在芯片完成后端流程后，也检查是否满足时序要求， 特别是插入了时钟树之后，这是需要后端工具(ICC/Encounter等)反标出的sdf文件来进行分析 。细节不表。STA完成后才可以进行功能后仿和ATPG pattern的后仿 。