IC设计流程及工具

一. IC设计流程及工具

     IC设计分为前端和后端。 前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理设计）并没有统一严格的界限，涉及到与工艺有关的设计就是后端设计。
  1>前端设计
     1.    规格制定
            芯片规格，也就像功能列表一样，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，包括芯片需要达到的具体功能和性能方面的要求。
      2.    详细设计
            Fabless根据客户提出的规格要求，拿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，业界公司一般都是使用后者）将模块功能以代码来描述实现，也就是将实际的硬件电路功能通过HDL语言描述出来，形成RTL（寄存器传输级）代码。
      4.    仿真验证             
           仿真验证就是检验编码设计的正确性，检验的标准就是第一步制定的规格。看设计是否精确地满足了规格中的所有要求。规格是设计正确与否的黄金标准，一切违反，不符合规格要求的，就需要重新修改设计和编码。
           设计和仿真验证是反复迭代的过程，直到验证结果显示完全符合规格标准。
           仿真验证工具Synopsys的VCS，还有Cadence的NC-Verilog。
      5.   逻辑综合――Design Compiler             
           仿真验证通过，进行逻辑综合。逻辑综合的结果就是把设计实现的HDL代码翻译成门级网表netlist。综合需要设定约束条件，就是你希望综合出来的电路在面积，时序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，不同的库中，门电路基本标准单元（standard    cell）的面积，时序参数是不一样的。所以，选用的综合库不一样，综合出来的电路在时序，面积上是有差异的。
           一般来说，综合完成后需要再次做仿真验证（这个也称为后仿真，之前的称为前仿真）
           逻辑综合工具Synopsys的Design Compiler。
      6.   STA
           Static Timing Analysis（STA），静态时序分析，这也属于验证范畴，它主要是在时序上对电路进行验证，检查电路是否存在建立时间（setup time）和保持时间（hold time）的违例（violation）。这个是数字电路基础知识，一个寄存器出现这两个时序违例时，是没有办法正确采样数据和输出数据的，所以以寄存器为基础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，它是从功能上（STA是时序上）对综合后的网表进行验证。常用的就是等价性检查方法，以功能验证后的HDL设计为参考，对比综合后的网表功能，他们是否在功能上存在等价性。这样做是为了保证在逻辑综合过程中没有改变原先HDL描述的电路功能。
          形式验证工具有Synopsys的Formality。
    前端设计的流程暂时写到这里。从设计程度上来讲，前端设计的结果就是得到了芯片的门级网表电路。

     

     2>后端设计 
         1. DFT
       Design For Test，可测性设计。芯片内部往往都自带测试电路，DFT的目的就是在设计的时候就考虑将来的测试。DFT的常见方法就是，在设计中插入扫描链，将非扫描单元（如寄存器）变为扫描单元。关于DFT，有些书上有详细介绍，对照图片就好理解一点。
       DFT工具Synopsys的DFT Compiler
    2. 布局规划(FloorPlan)
      布局规划就是放置芯片的宏单元模块，在总体上确定各种功能电路的摆放位置，如IP模块，RAM，I/O引脚等等。布局规划能直接影响芯片最终的面积。
      工具为Synopsys的Astro
    3. CTS
       Clock Tree Synthesis，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局指挥作用，它的分布应该是对称式的连到各个寄存器单元，从而使时钟从同一个时钟源到达各个寄存器时，时钟延迟差异最小。这也是为什么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)          
      这里的布线就是普通信号布线了，包括各种标准单元（基本逻辑门电路）之间的走线。比如我们平常听到的0.13um工艺，或者说90nm工艺，实际上就是这里金属布线可以达到的最小宽度，从微观上看就是MOS管的沟道长度。
      工具Synopsys的Astro
    5. 寄生参数提取
      由于导线本身存在的电阻，相邻导线之间的互感,耦合电容在芯片内部会产生信号噪声，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次的分析验证，分析信号完整性问题是非常重要的。
      工具Synopsys的Star-RCXT
    6. 版图物理验证
      对完成布线的物理版图进行功能和时序上的验证，验证项目很多，如LVS（Layout Vs Schematic）验证，简单说，就是版图与逻辑综合后的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）：电气规则检查，检查短路和开路等电气 规则违例；等等。
      工具为Synopsys的Hercules
   实际的后端流程还包括电路功耗分析，以及随着制造工艺不断进步产生的DFM（可制造性设计）问题，在此不说了。
   物理版图验证完成也就是整个芯片设计阶段完成，下面的就是芯片制造了。物理版图以GDSII的文件格式交给芯片代工厂（称为Foundry）在晶圆硅片上做出实际的电路，再进行封装和测试，就得到了我们实际看见的芯片。

二. 实现方法；
      1>IC从生产目的上可以分成为通用IC（如CPU，DRAM，接口芯片等）和ASIC(Application Specific Integreted Circuit)两种，ASIC是因应专门用途而生产的IC。

      1>IC从生产目的上可以分成为通用IC（如CPU，DRAM，接口芯片等）和ASIC(Application Specific Integreted Circuit)两种，ASIC是因应专门用途而生产的IC。
      2>从结构可以分成数字IC，模拟IC，数模混合IC三种，而SOC（system on chip）则成为发展的方向。
      3>从实现方式上讲可以分为三种。
            1.基于晶体管级，所有器件和互连版图都采用人工的称为全定制（full-custom）设计，这种方法比较适合于大批量生产 的，要求集成度高、速度快、面积小、功耗低的通用型IC或是ASIC。
            2.基于门阵（Gate-Array）和标准单元（Standard-Cell）的半定 制设计（Semi-custom）由于其成本低、周期短、芯片利用率低而适合于批量小、要求推出速度快的芯片 。
            3.基于IC生产厂家已经封装好的PLD（Programmable Logical Design）芯片的设计，因为其易用性、“可重写性”受到对集成电路工艺不太了解的系统集成用户的欢迎。他的最大特点就是只须懂得硬件描述语言就可以使 用特殊EDA工具“写入”芯片功能。但PLD集成度低、速度慢、芯片利用率低的缺点使他只适合新产品的试制和小批量生产。近年来PLD中发展最活跃的当属 FPGA(Field Programmable Gate Array)器件.
      4>从采用的工艺可以分成双极型(bipolar)，MOS和其他的特殊工艺。硅（Si）基半导体工艺中的双极型器件由于功耗大、集成度相对低，在近年随亚微 米深亚微米工艺的的迅速发展，在速度上对MOS管已不具优势，因而很快被集成度高，功耗低、抗干扰能力强的MOS管所替代。MOS又可分为NMOS、 PMOS和CMOS三种；其中CMOS工艺发展已经十分成熟，占据IC市场的绝大部分份额。AsGa器件因为其在高频领域（可以在0.35um下很轻松作 到10GHz）如微波IC中的广泛应用，其特殊的工艺也得到了深入研究。而应用于视频采集领域的CCD传感器虽然也使用IC一样的平面工艺，但其实现和标 准半导体工艺有很大不同。
      5>从设计方法可以分成自顶而下（top-down）和自底而上两种方法。top-down的设计方法
      在IC开发中,根据不同的项目要求，根据项目经费和可供利用的EDA工具和人力资源，根据代工厂的工艺实际，采用不同的实现方法是很重要的决策.
参考资料：http://blog.sina.com.cn/s/blog_5f6108e80100cybp.html
              http://bbs.eetop.cn/thread-254218-1-1.html