数字IC设计工程师要具备哪些技能

数字IC设计工程师要具备哪些技能

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本篇简单罗列了作为数字IC设计工程师的必备知识和学习建议，希望对本科高年级和研究生阶段有志从事数字IC设计的学生有所帮助。

数字集成电路基础

• CMOS制造工艺
• 器件（二极管、场效应管）
• 导线
• 门电路
  • 组合逻辑（反相器、与门、或门、异或）
  • 时序逻辑（Latch、DFF）
• 存储器
• FPGA
• 可测性设计
• 封装
• 测试
• 数字电路和与模拟电路的本质区别

学习“数字集成电路基础”是一切的开始，可以说是进入数字集成电路门槛的第一步。CMOS制造工艺是我们了解芯片的第一节课，从生产过程（宏观）学习芯片是怎么来的，这一步，可以激发学习的兴趣，产生学习的动力。

接下来，从微观角度来学习半导体器件物理，了解二极管的工作原理。进而学习场效应管的工作原理，这将是我们搭电路的积木。

导线是什么？这是一个有趣的话题，电阻、电容、电感的相互作用，产生延时和干扰，也是数字电路要解决的重要问题。

门电路是半定制数字集成电路的积木（Stardard Cell），所有的逻辑都将通过它们的实现。

存储器及其控制器，本质上属于数模混合电路。但由于计算机等复杂系统中存储器的日新月异，存储器的控制器由逻辑层（数字）和物理层（模拟）一起实现。

FPGA是可编程门阵列，就是提前生产好的ASIC芯片，可以改配置文件，来实现不同的功能。常常用于芯片Tapeout前的功能验证，或者用于基于FPGA的系统产品（非ASIC实现方案，快速推向市场）。

可测试性设计（即Design For Test），通常用来检测和调试生产过程中的良率问题。封装和测试是芯片交给客户的最后一步。似乎这些与狭义的数字电路设计不相关，但这恰恰公司降低成本的秘诀。

最后，还需要了解数字电路与模拟电路的本质区别，这将会帮助我们融汇贯通所学的知识。

设计基础

• 数字IC设计流程
• 组合逻辑（布尔代数、卡诺图化简、竞争与冒险）
• 时序逻辑（FSM）
• 可综合设计
• 功能仿真
• 时序分析

了解了数字集成电路基础后，我们再进入到具体的设计阶段。

首先，我们很有必要了解数字IC的设计流程，包括前端和后端。这会给我们一个概念，我们设计的电路是如何变成芯片（GDS）的。在变为芯片（GDS）的过程中，我们的主要工作处于流程中的哪个位置。输入是什么，产出是什么。

组合逻辑和时序逻辑是数字电路的两大类型，掌握基本的设计方法不可少。

我们设计的电路（写的代码）是如何变成门电路的，这是逻辑综合要覆盖的内容。其中，可综合设计或者叫针对综合再优化设计，是做好做优电路的重要部分。

功能仿真也是设计的一个关键步骤，通过功能仿真发现bug。目前功能仿真形成了一整套的方法学，叫作验证方法学。对于设计人员，也需要掌握基本的验证方法。

时序分析是评判由于电路的延时能否正常工作的重要方法。这也是设计中一个重要步骤，离开的时序谈逻辑，只是空谈。常常为了提升芯片性能，需要从前端架构上进行改进。

设计实例

基础

• 运算器(加法、减法)
• 编码器、译码器
• 串并转换
• 序列检测

进阶

• CPU核设计（8086、ARM）
• 总线（Intel、AMBA）
• 外围功能IP（SPI、IIC）
• 存储器接口（ROM、RAM、FLASH）
• 通信、图像、视频等领域的功能模块设计

掌握了数字集成电路基础和基本设计方法后，实战是提升能力的关键。实战就是写代码。这里列举了一些基础和进阶例子。根据自己的兴趣和主研方向，多写，多尝试。这非常重要。

编程语言与EDA

• 设计的步骤（工具）和分工
• verilog可综合子集
• verilog代码风格

最后，我们再来看看编程语言，设计常用的编程语言不外乎Verilog和VHDL。我们在这里强调一点，编程语言不等同于数字电路设计，编程语言仅仅是快捷设计的工具。学数字集成电路设计远远不止学Verilog。这是很多跨行做数字电路设计的误解。

做数字设计的第一步是什么？是理解需求，写SPEC（设计规范文档）。第二步是什么？是分解功能，画框图。第三步是什么？是定义各模块的接口和交互方式。第四步是什么？是定义模块内部的工作方式，状态机，时序图。最后才是写代码。

其实，“最后写代码”还不准确。因为容易造成写代码是最后一步的错觉。写完代码后，还需要模块级仿真，还需要考虑综合是否会面积太大，时序会不会太紧。

这就结束了吗？其实还没有，电路的功耗考虑了吗？是的，低功能设计能力常常成为区分一般和优势设计人员的标准之一。

Verilog编程语言包括了可综合部分和验证部分。对于初学者要时刻记在心里。好的代码风格和规范可以减少决大部分的bug。需要从一开始就养成好的编码习惯。

EDA是工具，是辅助设计、提升效率的帮手。对于我们学生朋友应该多用、逐渐熟练起来。但也不能依赖工具。不是有句话吗，尽信书不如无书。一样的道理，EDA工具也不是多智能的，需要人来主导。