从 Spec.到芯片_(数字IC模拟ICFPGA/CPLD设计的流程及EDA工具)

Posted 2021-11-07 IC观察者

从 Spec.到芯片→

先来看张图，本图体现出了集成电路产业链：设计业、制造业、封测业。

关于制造、封装测试我们看两张图稍作了解即可：

关于设计，是本文主要内容，主要从下方几个方面了解：

1、IC设计大致分类；
2、IC设计需要考虑的因素；
3、数字IC ASIC设计流程及EDA工具；
4、FPGA/CPLD设计流程及EDA工具；
5、模拟IC设计流程及EDA工具；
6、了解MPW（对设计、制造和封测的作用等）；
1、IC设计的大致分类：

（1）数字IC：处理数字信号，可以做成很大的规模；

ASIC：（需制作掩模），Application Specific Integrated Circuit 专用集成电路；

FPGA/CPLD：（可以编程，不需制作掩模），Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列；Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件；
（2）模拟/射频IC：处理模拟信号，规模远不如数字IC，放大器（ RF放大器、中放、运放、功放）；比较器；振荡器；混频器；模拟PLL；稳压稳流源等

（3）数模混合信号IC： ADC、DAC；某些Driver；电源管理；等等

（4）SOC：System on Chip（系统集成电路，片上系统）

关于数字IC中的ASIC与FPGA/CPLD的区别：

（1）ASIC：需制作掩模；设计时间长，硬件不能升级；芯片面积小，性能可以得到较好的优化；适合芯片需求量大的场合：片量用于平摊昂贵的光罩掩模制版费，降低单片生产成本。

（2）FPGA/CPLD：可以编程，不需要后端设计/制作掩模；开发门槛较低，设计时间较短，可方便和快速地升级优化硬件；芯片面积大，性能不够优化 ；适合芯片需求量小的场合：不用支付昂贵的光罩掩模制版费。作为数字ASIC设计流程中的必要步骤：ASIC设计中前端设计的FPGA原型验证（HDL功能验证）。

这里给推荐个IC设计培训班，点此进入←…

2.IC设计中需要考虑的因素：
（1）满足功能和性能的要求（性能：速度、功耗）；

（2）降低芯片成本（包括：设计、制造、测试）；

设计：良好的设计流程，就能降低芯片的设计成本。
制造：需要优化设计来减少芯片面积，增加每个晶圆上的管芯数，在设计中采用DFM方法来提高芯片制造成品率。
测试：在设计中采用可测试性设计（DFT）方法，降低每个芯片的测试时间等。
单芯片成本计算方式：CT = CD/N + CP/(y*n) + 封装测试成本
第一项表示分摊到每个芯片上的设计费用：CD是设计及掩模制版费（也叫NRE费用）， N是总产量；
第二项表示每个芯片的制造费用：CP是每个晶圆的制造费用，n是每个晶圆上的管芯数，y是晶圆成品率；
（3）延长芯片的使用寿命，如热均匀分布等；

（4）缩短芯片面市时间（Time-to-Market）；

3.数字IC ASIC设计流程及EDA工具：
（1）了解数字IC设计：在VLSI时代，数字IC设计是VLSI设计的根本所在（更大的规模、更好的性能、更低的功耗、超深亚微米（VDSM）工艺技术：对互连问题的关注）

数字IC设计方法：
层次化：从高层次的系统抽象描述，逐级向下进行设计/综合、验证，直到物理版图级的低层次描述（系统（功能）级→寄存器传输级（RTL）→门级→电路级→ 物理版图级）；
层次化的设计方法使复杂的电子系统简化，并能在不同的设计层次及时发现错误并加以纠正 ；
结构化：把复杂的系统划分成一些可操作的模块，允许多个设计者同时设计，而且某些模块的可以复用；
（2）数字IC ASIC设计流程：三阶段（前端设计/功能验证/后端实现）

RTL前端＋功能验证（最终得到的是RTL Source Code）
GDSII后端：逻辑综合＋后仿真（最终得到的是GDSII文件）

第一阶段：数字IC ASIC之 前端设计（RTL设计）：

用硬件描述语言HDL（Verilog、VHDL）来描述；描述硬件电路，抽象地表示电路的结构和行为（怎样组成，完成什么功能）；

HDL描述的两种方式：
结构描述：若干部件用信号线互连形成一个实体；
行为描述：反映信号的变化、组合和传播行为，特点是信号的延迟和并行性；
HDL的作用：
具有与具体硬件电路无关和与EDA工具平台无关的特性，简化了设计；
支持从系统级到门和器件级的电路描述，并具有在不同设计层次上的仿真/验证机制；
可作为综合工具的输入，支持电路描述由高层向低层的转换；
数字ASIC设计中采用的典型EDA工具：

第二阶段：数字IC ASIC之 功能验证（前仿真）：

检验RTL级的HDL设计是否实现了Spec.需要的功能等；

仿真：先对设计进行一系列的激励（输入），然后有选择的观察响应（输出）
激励与控制：设置输入端口，输入激励向量；
响应和分析：及时监控输出响应信号变化，判断是否正确、合法；
常用的仿真EDA工具：VCS (Synopsys), Modelsim(Mentor), NC(Cadence）；

第三阶段：数字IC ASIC之 后端实现：（逻辑综合、时序分析、布局布线、版图验证、后仿真）

逻辑综合：

将描述电路的RTL级HDL转换到门级电路网表netlist的过程；根据该电路性能的要求（限制），在一个由制造商提供的包含众多结构、功能、性能均已知的逻辑元件的单元库的支持下，寻找出一个门级逻辑网络结构的最佳实现方案，形成门级电路网表netlist；

综合EDA工具主要包括三个阶段：转换(Translation)、优化(Optimization)与映射(Mapping)

转换阶段：将RTL用门级逻辑来实现，构成初始的未优化电路。
优化与映射：对已有的初始电路进行分析，去掉电路中的冗余单元，并对不满足限制条件的路径进行优化，然后将优化之后的电路映射到由制造商提供的工艺库上
常用的EDA工具：Design Compiler（Synopsys)

时序分析：

对于VLSI，时序分析一般采用静态时序分析STA（Static Timing Analysis），以验证门级逻辑网络结构netlist的时序是否正确；

STA工具的基本思想: 在netlist中找到关键路径；关键路径是netlist中信号传播时延的最长路径，决定了芯片的最高工作频率；

STA工具可以分为三个基本步骤：

第一是将netlist看成一个拓扑图 ；
第二是时延计算（连线时延 net delay、单元时延 cell delay）；
第三是找到关键路径并计算时延，进行判断；
常用的时序验证EDA工具:PrimeTime（Synopsys) ；
布局布线:

将门级电路网表（netlist）实现成版图(layout)

常用的EDA工具：Encounter（Cadence）、Astro (Synopsys)

版图验证：

版图验证包括DRC和LVS；

DRC（Design Rule Check）：保证版图的可制造性，保证版图满足芯片制造厂的版图设计规则（Design Rule）；
LVS（Layout Versus Schematic）：证明版图与门级电路网表netlist的一致性；
常用的EDA工具：Mentor的Calibre，Synopsys的Hercules；

后仿真：

后仿真是保证版图是否满足时序的要求，在后仿真之前首先要进行参数提取，提取版图的连线时延信息（RC Extract),后仿真STA等；

常用的参数提取EDA工具：Synopsys的StarRCXT

常用的后仿真STA EDA工具：Synopsys的PrimeTime

4.FPGA/CPLD设计流程及EDA工具：

仿真、综合与适配：

（1）功能仿真：HDL设计是否实现Spec.功能要求；
采用的EDA工具：Modelsim（Mentor）；
（2）逻辑综合：HDL转化为FPGA门级网表；
采用的EDA工具：Synplify（Synplicity）、Precision（Mentor）；
（3）时序仿真：不同于前面提到的静态时序仿真STA，是动态时序仿真；
采用的工具：Modelsim；
（4）适配：也称结构综合或FPGA布局布线，是将由综合产生的网表文件配置于指定的目标器件(FPGA/CPLD)中，产生最终的下载文件，如JEDEC、Jam格式的文件。
FPGA/CPLD 器件及其开发工具：

FPGA/CPLD 器件提供商：Altera和Xilinx；
FPGA/CPLD 开发的EDA工具一般由器件生产厂家提供，但器件厂家只开发集成开发环境IDE和与器件密切相关的适配工具，功能仿真和综合工具实际是由第三方EDA软件开发商公司提供；
Altera －Quartus II （前身为Maxplus II ）
Xilinx －ISE
5.模拟IC设计流程及EDA工具：
模拟IC设计流程是全定制设计流程；

（1）电路图编辑
常用的工具：Cadence Virtuoso – Schamatic Composer
（2）电路仿真（电路模拟）：俗称 SPICE 仿真
常用的工具： Synopsys HSPICE，Cadence Spectre
（3）版图编辑
常用的工具： Cadence Virtuoso – Layout Editor（LE）
（4）版图验证与后仿真
DRC/ LVS： DRC保证版图满足芯片制造厂的设计规则 / LVS证明版图与网表的一致性；常用的DRC/LVS EDA工具：Mentor Calibre、 Synopsys Hercules；
参数提取：提取版图的连线时延信息（RC Extract）；常用的参数提取EDA工具：Synopsys StarRCXT；
版图后仿真：SPICE；
模拟典型设计流程及EDA工具：

6.了解MPW（对设计、制造和封测的作用等）
MPW叫做多项目晶圆流片：廉价；

设计与制造、封测之间的MPW环节：

为什么要需要MPW样片？

对MPW出来的晶圆要进行切割和封装，才能得到样片；

在设计阶段是采用软件仿真的方式对芯片进行验证，而通过MPW可取得样片，进行真实硬件环境下的：

（1）芯片功能和性能（设计）的测试验证和评价（将芯片放在实际的整机系统中，用各种测试仪器设备，看系统是否正常工作）
（2）芯片制造工艺的验证和评价：确定量产芯片的制造厂商；
（3）芯片量产测试方案的调试和基本确定：确定ATE及测试方案；