如何從零開始設(shè)計一顆芯片？

在各方助力下，集成電路成了時代熱點，有大量文章在寫芯片設(shè)計之復(fù)雜之困難，老驢打算從EDA 使用角度捋一遍芯片設(shè)計流程。在老驢畫出第一副圖之后，發(fā)現(xiàn)熟知的只有數(shù)字電路部分的一小段，對系統(tǒng)、軟件及上層應(yīng)用完全無知，只能歸類為Others。

于消費者而言，一個可以使用的系統(tǒng)，有數(shù)字集成電路部分、模擬集成電路部分、系統(tǒng)軟件及上層應(yīng)用部分。關(guān)于各個部分的功能，借用IC 咖啡胡總的精品圖可以一目了然。外部世界是一個模擬世界，故所有需要與外部世界接口的部分都需要模擬集成電路，模擬集成電路將采集到的外部信息轉(zhuǎn)化成0/1 交給數(shù)字集成電路運算處理，再將數(shù)字集成電路運算處理完的信號轉(zhuǎn)化成模擬信號輸出;而這一切的運算過程都是在系統(tǒng)軟件的號令跟監(jiān)控下完成的，故曰：芯片是骨架，系統(tǒng)軟件是靈魂。

數(shù)字集成電路設(shè)計實現(xiàn)流程是個相當(dāng)漫長的過程，拿手機基帶芯片為例，對于3G, 4G, 5G, 工程師最初見到的是無數(shù)頁的協(xié)議文檔。架構(gòu)師要根據(jù)協(xié)議來確定：協(xié)議的哪些部分可以用軟件實現(xiàn)，哪些部分需要用硬件實現(xiàn);算法工程師要深入研讀協(xié)議的每一部分，并選定實現(xiàn)所用算法;芯片設(shè)計工程師，需要將算法工程師選定的算法，描述成RTL; 芯片驗證工程師，需要根據(jù)算法工程師選定的算法設(shè)計測試向量，對RTL 做功能、效能驗證;數(shù)字實現(xiàn)工程師，需要根據(jù)算法工程師和設(shè)計工程師設(shè)定的目標(biāo)PPA 將RTL 揉搓成GDS; 芯片生產(chǎn)由于太過復(fù)雜，完全交由代工廠完成，封裝亦是;對于測試，大部分公司都是租借第三方測試基臺由自己的測試工程師完成，只有少部分土豪公司才會有自己的測試基臺。

一顆芯片，性能的60% 取決于架構(gòu)師，在國內(nèi)好的架構(gòu)師不超過三位數(shù)，極好的架構(gòu)師不超過兩位數(shù)，架構(gòu)師是芯片靈魂的締造者，是食物鏈的最頂端，是牛逼閃閃的存在，就驢淺顯認(rèn)知，除了office 似乎沒有EDA 工具用于架構(gòu)設(shè)計;架構(gòu)敲定了之后，大量的算法工程師跟上，對于協(xié)議規(guī)定的每個點，都要選擇適當(dāng)?shù)乃惴?，用C/C++ 做精確模擬仿真，要確保功能、精度、效率、吞吐量等指標(biāo)，Matlab 跟GCC 應(yīng)該是他們使用最多的工具。

設(shè)計工程師根據(jù)算法工程師經(jīng)過反復(fù)模擬仿真選擇的算法，將抽象描述或定點C 轉(zhuǎn)換成RTL, 在設(shè)計過程中需要反復(fù)仿真、綜合，以確定設(shè)計功能的正確性，跟設(shè)計能達(dá)到的PPA. 除了RTL, 設(shè)計工程師還需要根據(jù)設(shè)計目標(biāo)編寫SDC 和power intent, 并做對應(yīng)的質(zhì)量檢查。設(shè)計工程師需要使用大量EDA 工具：

• 編輯器：VIM, emac;

• Lint : RTL 質(zhì)量檢查，Spyglass, Jasper;

• CDC: SDC 質(zhì)量檢查，Spyglass, Conformal, GCA;

• CPF/1801: power intent 質(zhì)量檢查，CLP;

• Power: RTL 級功耗分析，Joules, PA;

• 仿真器：C, S, M 三家都有各自的仿真工具;

• 綜合：Genus, DC;

老驢以為，從集成開始，由腦力勞作進(jìn)入體力勞作，對比蓋房子，就是從設(shè)計師到泥瓦工。集成工程師，要把芯片所用的所有模塊相互連接起來，指導(dǎo)思想是架構(gòu)工程師確定的，各個IP 如何連接是各IP 的owner 確定的，集成工程師只要保證不多連、不少連、不亂連即可，據(jù)說當(dāng)前也沒有什么有效的集成工具，常用到的是emac。

驗證

接著捋，實際項目中驗證跟綜合從RTL coding 開始就會交叉進(jìn)行，反復(fù)迭代。

驗證在數(shù)字芯片設(shè)計中占很大比例，近些年在設(shè)計復(fù)雜度的推動下驗證方法學(xué)跟驗證手段在不斷更新，從OVM 到UVM, 從Dynamic verification 到Static verification, 從FPGA 到Emulator, 所有革新目的可概括為：快速、完備、易調(diào)試。驗證涉及到許多方面，驗證工程師一方面要對相關(guān)協(xié)議算法有足夠了解，根據(jù)架構(gòu)、算法工程師設(shè)定的目標(biāo)設(shè)計仿真向量;另一方面要對設(shè)計本身足夠了解，以提高驗證效率，縮短驗證時間。驗證工程師需要掌握許多技術(shù)，需要使用許多工具。

• 語言：各種腳本語言之外，C/C++, SystemVerilog, Verilog;

• 協(xié)議：各種接口協(xié)議，各種通信協(xié)議，各種總線協(xié)議;

• 工具：動態(tài)仿真工具，靜態(tài)仿真工具，F(xiàn)PGA, Emulator;

數(shù)字驗證領(lǐng)域，依舊是C, S, M 三家?guī)缀跞裕象H已不做驗證多年，對S, M 兩家驗證相關(guān)工具除了VCS, Verdi, Modelsim 其他幾乎無知，此處拿C 家驗證全套為例。

• Static Verification: Jasper Gold 是C 家新近推出的靜態(tài)驗證工具，驢所理解的靜態(tài)驗證是基于斷言的驗證方法學(xué)，所謂靜態(tài)即不需要輸入測試激勵，驗證過程是純數(shù)學(xué)行為。

• Dynamic Verification: Xcelium 是C 家的動態(tài)驗證工具，驢所理解的動態(tài)驗證是基于UVM 的驗證方法學(xué)，通過輸入測試激勵，監(jiān)控仿真結(jié)果，分析覆蓋率完成功能驗證。

• Emulator: 硬件仿真加速器，粗暴理解：有debug 功能的集成了豐富接口的巨型可編程陣列;特點：超高速驗證、支持系統(tǒng)軟件調(diào)試。帕拉丁是C 家在驗證領(lǐng)域的明星產(chǎn)品，是行業(yè)翹楚，據(jù)說常有欽差蒞臨硅廠在帕拉丁前駐足良久，賞其外形之美，贊其功能之強。

• Verification IP: 驗證需要各種驗證模型，各種IP, 各種總線，各種高速接口。

FPGA 的一大應(yīng)用是驗證，故提一嘴。在世上曾經(jīng)有兩家牛逼閃閃的FPGA 公司，一家是Altera 另一家是Xilinx, 后來Altera 像Mentor 一樣找了個大爺把自己賣了。FPGA 內(nèi)除了可編程邏輯之外，通常還會集成各種IP, 如CPU, DSP, DDR controller 等。每家FPGA 都有各種配置，根據(jù)集成的IP, 可編程邏輯的規(guī)模，可達(dá)到的速度，價格相差極大。相對于ASIC, FPGA 也有一套對應(yīng)的EDA 工具，用于綜合、布局布線、燒錄、調(diào)試。如：Synplify, Quartus。

國內(nèi)現(xiàn)狀：Static Verification, Dynamic Verification, Emulator 幾乎空白;國內(nèi)有一些FPGA 公司，在中低端領(lǐng)域已經(jīng)做得非常不錯，但是高端領(lǐng)域幾乎空白。任重而道遠(yuǎn)，不矯飾，腳踏實地干!

實現(xiàn)

接著上面說的我們繼續(xù)捋數(shù)字芯片設(shè)計實現(xiàn)流程，今天進(jìn)入實現(xiàn)階段，對于這一段驢只熟悉其中的綜合、形式驗證、低功耗驗證、RTL 功耗分析、STA, 其他部分都是一知半解，故無深究，只捋流程。

整個實現(xiàn)階段，可以概括成玩EDA 工具及基于EDA 工具的方法學(xué)，EDA 工具無疑是實現(xiàn)階段的主導(dǎo)，一顆芯片做得好不好，在實現(xiàn)階段之前基本取決于工程師的能力強不強，而在實現(xiàn)階段之后基本取決于EDA 工具玩得好不好。整個設(shè)計實現(xiàn)流程，涉及到許多工具，此處列出四家主要參與者，空白部分不代表沒有，只代表驢不知。

數(shù)字電路實現(xiàn)流程，從大方向上可以分成兩部分：優(yōu)化跟驗證。優(yōu)化，會更改邏輯描述方式，會更改邏輯結(jié)構(gòu)，會插入新邏輯，這所有的動作都存在引入錯誤的風(fēng)險，故需要驗證工具予以監(jiān)控;驗證，要確保邏輯優(yōu)化過程不改變邏輯功能，要確保時序滿足既定目標(biāo)需求，要確保無物理規(guī)則違規(guī)，要確保信號完整性，這所有的驗證都有一套對應(yīng)的通過規(guī)則，但凡有某一項不達(dá)標(biāo)，就不能拿去生產(chǎn)制造。

高級綜合：所謂的高級綜合就是將C/ C++/ System C描述的設(shè)計意圖，“翻譯”成用Verilog/ System Verilog 描述的RTL, 多應(yīng)用于運算邏輯主導(dǎo)的設(shè)計，除了三巨頭，市面上有許多小公司在這一個點上也做得不錯。

綜合：在實現(xiàn)流程中，就背后算法而言，綜合一定是最難最復(fù)雜的。綜合首先將Verilog/ System Verilog/ VHDL 描述的邏輯轉(zhuǎn)化成由Gtech 描述的邏輯，再對Gtech 邏輯做優(yōu)化，優(yōu)化后再將Gtech 描述映射到對應(yīng)工藝庫。其中優(yōu)化過程涉及到多個方面，近年來EDA 工具的發(fā)展方向基本可以概括為：容量，速度，相關(guān)性。容量：指可處理的設(shè)計規(guī)模;速度：指EDA 工具的優(yōu)化速度;相關(guān)性：指跟布局布線之間的相關(guān)性。主流工具：Genus, Design Compiler. 在這一點上，幾乎再難有后起之秀，除非有朝一日，整個數(shù)字電路的設(shè)計方法學(xué)發(fā)生顛覆性的革新。

DFT: 插入壓縮解壓縮邏輯，插入scan chain, 插入Mbist, 插入Lbist, 插入Boundary Scan, 插入OCC, 插入Test Point, 生成ATPG pattern, 故障診斷，DFT 工程師像老中醫(yī)插入、觀察、診斷。當(dāng)今市面上DFT 工程師緊缺，貴!主流工具：Tessenst, Modus, TetraMax.

ECO: 但凡有新的東西引入，就可能引入bug, 早期發(fā)現(xiàn)bug 可以重新走一遍實現(xiàn)流程，如果在后期發(fā)現(xiàn)bug 重走一遍流程的代價太大，通常的做法就是ECO. 對于簡單的bug 修復(fù)手工ECO 就可以，但是對于復(fù)雜的bug 修復(fù)，手工ECO 有心無力，故需要有EDA 工具來完成相應(yīng)的工作。當(dāng)前世面上最好用的自動ECO 工具非Conformal ECO 莫屬。最近也有一些startup 做對應(yīng)的點工具，整個思路跟CECO 類似，但是沒有自己的綜合工具優(yōu)化ECO 后的補丁，就很難得到一個好的結(jié)果。

布局布線：在進(jìn)入納米時代之前，布局布線并沒那么復(fù)雜，從90nm 開始到如今的3nm，布局布線的復(fù)雜度呈指數(shù)增長，從floorplan 到placement 到CTS 到Routing 每一步涉及到的算法在近年都做了顛覆性的革新，以Innovus 的問世為起點，布局布線進(jìn)入到了一個新紀(jì)元。在AI 的浪潮下C 跟S 都一頭扎了進(jìn)去，要做世上最智能的布局布線工具，也許有朝一日可以像跟小度對話一樣：

• 硅農(nóng)：Innovus 請解析A 文件，按設(shè)定目標(biāo)做個功耗最優(yōu)的結(jié)果;

• Innovus: 已讀取目標(biāo)文件，根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)分析，本設(shè)計大概需要250G 內(nèi)存，在5小時內(nèi)完成，請選擇任務(wù)完成后是否自動進(jìn)入后續(xù)程序......

RTL 功耗分析：這一步可以放在實現(xiàn)端做也可以放在實現(xiàn)之前做。分析過程相對簡單：讀入RTL, SDC, 仿真激勵，通過計算分析平均功耗跟瞬時功耗，找出設(shè)計中的“功耗缺陷”，指導(dǎo)Designer 進(jìn)行功耗優(yōu)化。主流工具有：Joules, Spyglass, PowerArtist。

形式驗證：在整個實現(xiàn)流程中，形式驗證充當(dāng)邏輯功能等效性的監(jiān)察官，任何一步優(yōu)化結(jié)束后都需要過形式驗證這一關(guān)，以確保在優(yōu)化過程中，邏輯功能未被改變。主流工具：LEC, Formality. 隨著設(shè)計規(guī)模的暴增跟優(yōu)化技術(shù)的飛速發(fā)展，形式驗證的難度逐漸增加，占用的時間逐漸增多，SmartLEC 是針對復(fù)雜設(shè)計的先行者。

低功耗驗證：針對低功耗設(shè)計，低功耗驗證要驗證CPF/ UPF/ 1801 的語法語義跟描述意圖，要驗證低功耗單元未多插，未漏插，未亂插，要驗證電源跟地的鏈接符合設(shè)計意圖，要驗證電特性的完整性。主流工具：CLP。

STA: Timing signoff, STA 看似龐雜，其實并不復(fù)雜，相比于優(yōu)化過程要簡單得多，拋開Timing ECO, STA 所有的動作都只是計算而不是求解，不恰當(dāng)?shù)谋确剑篠TA 就好比幼兒園的算術(shù)題，加數(shù)跟被加數(shù)都在那里，只要求個和即可;而優(yōu)化過程是求最優(yōu)解或近似最優(yōu)解的過程，要難得多。近年來STA EDA 工具主要在幾個方向著力：如何模擬制造過程的隨機工藝偏差，如何處理超大規(guī)模設(shè)計，如何模擬新工藝結(jié)點電特性對時序的影響。

Power Signoff: 驗證設(shè)計的電源網(wǎng)絡(luò)是否足夠強悍，分析，發(fā)現(xiàn)，修正：IR-drop 跟EM. 主流工具：Voltus, RedHawk.

物理驗證: 驗證所有的管子、過孔、走線是否滿足Foundry 制定的規(guī)則，是個體力活，有點像蓋好房子之后的垃圾清理，主流工具：Calibre, PVS, ICV.

整個數(shù)字實現(xiàn)流程中涉及到諸多工具，三巨頭在領(lǐng)跑，后面基本沒有跟隨者，偶爾有某個點工具做得好的后起之秀，大多都會被三巨頭吃了，這也算是行業(yè)套路。就市值看，三巨頭加起來來也不及互聯(lián)網(wǎng)公司一條腿粗，然而在整個芯片設(shè)計實現(xiàn)過程中卻不可或缺，吾國要強大芯片產(chǎn)業(yè)，必須要在EDA 這一塊加大投入，方能離脫離被掐著脖子走更進(jìn)一步。