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集成电路(IC)设计完整流程详解及各个阶段工具简介

IC设计过程可分为前端设计(也称逻辑设计)和后端设计(也称物理设计)两部分。这两部分之间没有统一和严格的界限。所有涉及过程的设计都可以称为后端设计。

前端设计的主要流程:

1、规格制定

芯片规格,就像功能列表一样,是客户向芯片设计公司(称为Fabless,无晶圆设计公司)提出的设计要求包括芯片的具体功能和性能要求。

2、详细设计

Fabless根据客户提出的规格要求,取出设计解决方案和具体实现架构,划分模块功能。

3、HDL编码

使用硬件描述语言(VHDL,Verilog HDL,行业公司通常使用后者)用代码描述模块功能,即通过实际的硬件电路功能HDL语言描述,形成RTL(寄存器传输级)代码。

4、仿真验证

模拟验证是检验编码设计的正确性,检验标准是规范的第一步。看设计是否准确满足规格中的所有要求。规格是设计正确与否的黄金标准。如果一切违反并不符合规格要求,则需要修改设计和编码。在验证结果显示完全符合规格标准之前,设计和仿真验证是一个反复迭代的过程。模拟验证工具Mentor公司的Modelsim, Synopsys的VCS,还有Cadence的NC-Verilog均可以对RTL设计验证级代码,这部分个人一般使用第一个代码-Modelsim。这一部分称为前仿真,下一个逻辑部分综合后再次进行的仿真称为后仿真。

5、逻辑综合――Design Compiler

通过仿真验证,进行逻辑综合。逻辑综合的结果是实现设计HDL将代码翻译成门级网表netlist。设定综合约束条件是您希望在面积、时间等目标参数上达到的标准。逻辑综合需要基于特定的综合库,门电路基本标准单元在不同的库中(standard cell)时序参数因面积而异。因此,综合库的选择是不同的,综合电路间顺序和面积上也不同。一般来说,综合完成后需要再次进行模拟验证(这也称为后模拟,以前称为前模拟)逻辑综合工具Synopsys的Design Compiler,模拟工具可以选择上述三种模拟工具。

6、STA

Static TimingAnalysis(STA),静态时序分析,也属于验证范畴,主要是在时序上验证电路,检查电路是否有建立时间(setup time)和保持时间(hold time)的违例(violation)。这是数字电路的基本知识。当寄存器违反这两个时间顺序时,没有办法正确和输出数据,因此基于寄存器的数字芯片功能肯定会出现问题。STA工具有Synopsys的Prime Time。

7、形式验证

这也是验证范畴,从功能上讲(STA是时序上)验证综合网表。通常采用等价检查方法进行功能验证HDL设计作为参考,比较综合网表功能,其功能是否等价。这是为了确保逻辑综合过程中没有改变HDL描述的电路功能。有形式验证工具Synopsys的Formality。这里暂时写下前端设计的流程。在设计方面,前端设计的结果是获得芯片的门级网表电路。

Backend design flow后端设计流程 :

1、DFT

Design ForTest,可测性设计。芯片内部通常有自己的测试电路,DFT目的是在设计时考虑未来的测试。DFT常见的方法是将扫描链插入设计中,将非扫描单元(如寄存器)转换为扫描单元。关于DFT,有些书有详细的介绍,比较图片很容易理解。DFT工具Synopsys的DFT Compiler

2、布局规划(FloorPlan)

布局规划是放置芯片的宏单元模块,通常确定各种功能电路的位置,如IP模块,RAM,I/O引脚等。布局规划可以直接影响芯片的最终面积。Synopsys的Astro

3、CTS

Clock TreeSynthesis,时钟树综合,简单点说就是时钟的布线。由于时钟信号在数字芯片的全球指挥作用,其分布应对称地连接到每个寄存器单元,使时钟从同一时钟源到每个寄存器,时钟延迟的差异最小。这就是时钟信号需要单独布线的原因。CTS工具,Synopsys的Physical Compiler

4、布线(Place & Route)

这里的布线是普通信号布线,包括各种标准单元(基本逻辑门电路)之间的布线。例如,我们通常听到的0.13um工艺,或90nm工艺实际上是这里金属布线可以达到的最小宽度,从微观上看是MOS管道沟长Synopsys的Astro

5.提取寄生参数

由于导线本身的电阻和相邻导线之间的互感,耦合电容器会在芯片中产生信号噪声、串扰和反射。这些效应会产生信号完整性问题,导致信号电压波动和变化,如果严重,就会导致信号失真错误。提取寄生参数进行再分析和验证,分析信号完整性问题非常重要。Synopsys的Star-RCXT

6.版图物理验证

在功能和时间上验证完成布线的物理地图,验证项目很多,比如LVS(Layout Vs Schematic)简单来说,验证就是版图与逻辑结合后门级电路图的对比验证;DRC(Design Rule Checking):设计规则检查,检查连线间距,连线宽度等是否满足工艺要求,ERC(Electrical Rule Checking):检查电气规则,检查短路和开路 违反规则;等等。工具为Synopsys的Hercules随着制造工艺的不断进步,实际的后端工艺还包括电路功耗分析和产生的DFM这里就不说制造设计了。工具为Synopsys的Hercules随着制造工艺的不断进步,实际的后端工艺还包括电路功耗分析和产生的DFM(制造设计)这里就不说了。物理地图验证完成,即整个芯片设计阶段完成,以下是芯片制造。物理版图以GDSII给芯片代工厂的文件格式(称为Foundry)在晶圆硅片上制作实际电路,然后进行包装和测试,以获得我们实际看到的芯片。

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