一些芯片设计的冷知识

关于芯片物理版图

芯片物理版图是一种用来描述集成电路内部结构和连接的图形文件,它是芯片设计的最终结果,也是芯片制造的依据。芯片物理版图中包含了各种工艺层的信息,例如多晶硅层、金属层、活性区层、接触层等,每一层都有不同的颜色和形状,表示不同的功能和特性。芯片物理版图通常采用GDSII格式存储,这是一种通用的二进制文件格式,可以被不同的EDA工具识别和处理。

关于EDA

EDA是Electronic Design Automation的缩写,意思是电子设计自动化,它是指利用计算机辅助设计(CAD)软件,来完成超大规模集成电路(VLSI)芯片的功能设计、综合、验证、物理设计(包括布局、布线、版图、设计规则检查等)等流程的设计方式。

EDA软件可以根据电路设计图(也称为原理图或HDL代码)生成芯片物理版图,但这个过程并不是一步到位的,而是需要经过多个步骤和工具的协作和优化。一般来说,EDA软件生成芯片物理版图的流程如下:

  • 逻辑综合:这是将电路设计图转换为门级网表的过程,门级网表是由基本逻辑门(如与门、或门、非门等)和触发器(如D触发器、JK触发器等)组成的电路结构,它可以反映电路设计图的功能和性能。逻辑综合需要设定约束条件,就是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;逻辑综合还需要指定基于的库,使用不同的综合库,在时序和面积上会有差异。常用的逻辑综合工具有Synopsys的Design Compiler,Cadence的PKS,Synplicity的Synplify等。
  • 布局规划:这是在确定芯片的总体尺寸和形状后,将芯片中的各个模块(如IP核、存储器、I/O引脚等)分配到合适的位置的过程,布局规划需要考虑各个模块之间的连接关系、信号延迟、功耗分布、热效应等因素,以优化芯片的性能和可靠性。布局规划后,芯片的大小,Core的面积,Row的形式、电源及地线的Ring和Strip都确定下来了。常用的布局规划工具有Cadence的Encounter/Innovus,Synopsys的ICC等。
  • 时钟树综合:这是在布局规划后,对芯片中的时钟信号进行专门的布线设计的过程,时钟信号在数字芯片中起着全局指挥作用,它需要对称地分配到各个寄存器单元,以保证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。时钟树综合需要考虑时钟频率、抖动、偏移等因素,以提高芯片的时序性能。常用的时钟树综合工具有Cadence Encounter/Innovus, Synopsys ICC, Synopsys PrimeTime SI等。
  • 布局布线:这是将门级网表转换为具体的物理版图的过程,包括标准单元(如基本逻辑门电路)的放置和各种层之间的走线。布局布线需要遵循特定工艺的设计规则(如最小宽度、最小间距等),以保证版图可以被正确地加工出来。布局布线还需要考虑面积、功耗、时序、噪声、串扰等因素,以优化芯片的质量和效率。常用的布局布线工具有Cadence Encounter/Innovus, Synopsys ICC, Synopsys Astro等。
  • 物理验证:这是在完成物理版图后,对其进行检查和修正的过程,主要包括以下几个方面:
    • 设计规则检查(DRC):这是检查物理版图是否符合工艺设计规则的过程,如果发现任何违反规则的地方,就需要进行修改。常用的设计规则检查工具有Synopsys的Hercules/ICV,Cadence的Assura/PVS,Mentor的Calibre等。
    • 布局与网表比较(LVS):这是检查物理版图是否与门级网表在功能上完全一致的过程,如果发现任何不匹配或缺失的地方,就需要进行调整。常用的布局与网表比较工具有Synopsys的Hercules/ICV,Cadence的Assura/PVS,Mentor的Calibre等。
    • 寄生参数提取(PEX):这是从物理版图中提取出电阻、电容、电感等寄生参数的过程,这些参数会影响电路的性能和信号完整性,需要进行后仿真和分析。常用的寄生参数提取工具有Synopsys的Star-RC, Cadence的QRC, Mentor的Calibre XRC等。
    • 时序验证(STA):这是基于寄生参数提取的结果,对电路的时序性能进行验证的过程,主要检查电路是否存在建立时间(setup time)和保持时间(hold time)的违例,如果发现任何时序问题,就需要进行优化。常用的时序验证工具有Synopsys的PrimeTime, Cadence’s Tempus等。
    • 信号完整性分析(SI):这是基于寄生参数提取的结果,对电路的信号质量进行分析的过程,主要检查电路是否存在噪声、串扰、反射等问题,如果发现任何信号完整性问题,就需要进行改善。常用的信号完整性分析工具有Synopsys PrimeTime SI, Cadence Sigrity, Ansys Totem/Redhawk等。

物理版图验证完成后,就可以将GDSII文件交给芯片代工厂(称为Foundry),在晶圆硅片上通过多道工艺步骤(如光刻、刻蚀、离子注入、沉积等)实现芯片的制造,再进行封装和测试,就得到了我们实际看见的芯片。

关于芯片逆向分析

芯片物理版图逆向设计,是指通过对芯片内部电路的提取和分析,还原出芯片的设计思想、技术原理、工艺制造、结构机制等方面的内容。这种方法可以用来验证设计框架或者分析信息流中的技术问题,也可以帮助新的芯片设计或者产品设计方案。

芯片物理版图逆向设计的流程一般包括以下几个步骤:

  • 芯片前处理:这是反向分析的基础性环节,它包括封装去除、管芯解剖、图像采集和图像处理等步骤,通过前处理可以得到包含参考芯片所有版图信息的芯片图像数据库。
  • 网表提取:这是基于芯片图像进行单元、互连线等各种版图元素的识别,并得到芯片网表的过程。网表提取的质量和速度直接影响后续整理、仿真、LVS等方方面面的工作。
  • 电路整理分析:这是对提取得到的网表(或平面电路图)进行层次化整理和功能分析的过程,通过这一步可以了解参考芯片的设计思想、技巧和特点。
  • 电路或逻辑仿真:这是通过仿真软件对电路进行性能验证和优化的过程,可以检查网表提取的正确性,也可以修正由于工艺移植带来的器件参数值的偏差。
  • 版图设计:这是参照图像背景,按照目标工艺的设计规则进行版图绘制的过程。版图绘制完成后,还需要同网表进行LVS验证,以发现网表提取或版图绘制中的错误,从而提高芯片仿制的成功率。
  • 后仿真:这是对版图进行时序、功耗等性能验证和优化的过程,以保证移植后的版图满足设计要求。
  • 芯片制造:这是将版图转换为掩膜板,并通过流片生产、芯片封装和测试等步骤得到最终的芯片产品。

芯片物理版图逆向设计是一项非常复杂和困难的工作,它需要专业的设备、软件和人员。随着集成电路工艺的不断发展,芯片内部结构越来越复杂,反向分析也越来越难以进行。因此,反向分析并不能完全替代正向设计,而只能作为正向设计有益的补充。在实际设计中,正向设计和反向分析经常结合使用,以达到学习、吸收、再创新的目的。

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