集成电路周边一：芯片设计流程及各步骤使用工具简介

IC的设计过程可分为两个部分，分别为：前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理设计），这两个部分并没有统一严格的界限，凡涉及到与工艺有关的设计可称为后端设计。

有人将IC设计和房屋设计做了比较详细的类比：

一、前端设计的主要流程：

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。

语言输入工具：

• Summit 公司的 VisualHDL
• Mentor 公司的 Renoir

图形输入工具：

• Cadence的composer
• viewlogic的viewdraw

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。

仿真工具：

Verilog HDL：

• Mentor公司的Modelsim
• Synopsys公司的VCS
• Cadence公司的NC-Verilog、Verilog—XL

VHDL：

• Mentor公司的Modelsim
• Synopsys公司的VSS
• Cadence公司的NC-VHDL、Leapfrog

它们均可以对RTL级的代码进行设计验证。逻辑综合之前的该部分仿真称为前仿真，也即功能仿真/行为仿真。接下来在版图设计完成之后还要再进行一次仿真，称为后仿真，也即时序仿真 。

5、逻辑综合

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。

逻辑综合工具：

• Synopsys的Design Compiler、Behavial Compiler、DC-Expert
• Cadence的buildgates、Envisia Ambit®
• Mentor的Leonardo

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：

• Synopsys的Prime Time。
• Cadence的Pearl、Tempus
• Mentor的SST Velocity

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：

• Synopsys的Formality。
• Cadence的LEC、FormalCheck
• Mentor的FormalPro

前端设计的流程到这里就结束了。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。

二、Backend design flow后端设计流程 ：

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：

• BSCAN技术– 测试IO pad，主要实现工具是：Mentor的BSDArchit、sysnopsy的BSD Compiler；
• MBIST技术– 测试mem，主要实现工具是：Mentor的MBISTArchitect 、Tessent mbist；
• ATPG 技术– 测试std-logic，主要实现工具是：产生ATPG使用Mentor的 TestKompress 、synopsys TetraMAX，插入scan chain主要使用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。

布局规划工具：

• Synopsys的Astro、Physical Compiler、IC Compiler
• Cadence的Encounter、PKS、Silicon Ensemble、Design Planner

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Clock Tree Compiler
• Cadence的CT-Gen

4、布线(Place & Route)

布线就是将前端提供的网表(netlist)，实现成版图(layout)，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。

布线工具：

• Synopsys的Astro、Physical Compiler、IC Compiler
• Cadence的Encounter、PKS、Silicon Ensemble、Design Planner

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。

寄生参数提取工具：

• Synopsys的Star-RCXT
• Mentor的Calibre xRC
• Cadence的 Assure RCX

6、物理版图验证

对布线完成的版图我们还需要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

常用的LVS/DRC工具：

• Synopsys的Hercules
• Cadence的Dracula、diva、assura
• Mentor的Calibre

版图验证部分，我们还需要进行时序仿真，也就是之前说的后仿真。这次的仿真不再是简单的功能仿真，而是需要考虑实际的时延等因素。

后仿真工具：和前仿真工具一样。

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。

参考链接：中文系同学都能听懂的集成电路设计流程

参考链接：芯片设计流程和实用工具详解