FPGA进阶学习总结（一）

芯片设计产业链

1、晶圆厂foundry
专门从事半导体晶圆制造生产，接受其他无晶圆厂设计公司委托，制造芯片，是整个微电子行业的基础。如TSMC（台积电）、global foundry、UMC、中芯等。
2、无晶圆设计公司fabless
Fabrication less的组合 是指没有制造业务，只专注于芯片设计的公司，如博通、高通、英伟达、AMD、华为海思、紫光等。
3、EDA软件公司
自动化软件生产厂商，为集成电路设计提供软件支持。大部分被EDA三大巨头垄断，国内的厂商为华大九天。
4、设计服务公司design service
主要提供芯片后端设计服务，一些设计公司在项目比较集中或者自身没有强大的后端设计能力，或者缺少技术实力，会选择服务公司。主要厂商有veri silicon芯原、alchip世芯等。
5、IP供应商IP vender
Ip研发成本高且可复用性强，一些设计公司可以为其他公司提供IP设计服务，最著名的就是ARM。
6、集成与设计制造IDM

芯片设计产业链所提供的就业岗位

芯片设计产业链所提供的就业岗位大致如上图所示，其大致属于以下四个部分：算法架构设计、前端设计、后端布局布线以及验证部分。

数字芯片设计流程

数字芯片设计流程大致如下图所示：

其中红色框框起来的为本课程主要讲解的内容。
下面简要介绍一下上述流程的目的，所使用的工具以及设计语言等内容，大致了解一下即可。
（1）算法架构：
目的：完成芯片中数字部分的高层次算法或架构的分析与建模，为硬件提供一个正确的软件功能模型，更为重要的是，通过大量的高层次仿真和调试，为 RTL 实现提供总体性的设计指导。数字部分越复杂，这一点越重要。
工具：MATLAB、C++、C、System C、System Verilog 等。不同类型的芯片都不同的选择，如数字信号处理类芯片，偏好 MATLAB。
特点：这部分工作至关重要，基本上奠定了整个芯片的性能和功耗的基础。这部分工作主要由具有通信、信号处理、计算机、软件专业背景的工程师完成，也有很多微电子专业背景的工程师参与。
（2）RTL 实现
目的：依据第一步的结果，完成由高层次描述到 Verilog HDL 实现的过程。
工具：Vim、Emac（二者不分前后顺序哦）
特点：这一步能明显区别中训练有素的工程师和初学者。前者在写代码的过程中，具有极强的大局观，能够在书写 Verilog HDL、描述逻辑功能的同时，还能够兼顾逻辑综合、STA、P&R、DFX、功耗分析等多方面因素，最终提供一份另其他环节的工程师都赏心悦目的代码。初学者则处处留地雷，一不小心就引爆。
（3）功能验证
目的：在无延迟的理想情况在，通过大量的仿真，发现电路设计过程中的人为或者非人为引起的 bug。主要指标是功能覆盖率。
工具：Modelsim、VCS、NC-Verilog
语言：C++、C、System C、System Verilog，基于 UVM 的方法学等。主要是 System Verilog，一般哪个方便用哪个。
特点：验证工程师近年来已经成为 IC 设计中需求量最大的岗位。这个阶段会占用大量的时间，数以月计。
（4）逻辑综合
目的：将 RTL 代码映射为与工艺库相关的网表。
工具：Design Compiler、RTL Compiler。Design Compiler 在市场中占有垄断性地位，几乎成为逻辑综合的标准。
特点：从芯片生产的角度来看，在该步骤之前，所有的工作都可近似看做一个虚拟性的，与现实无关。而从逻辑综合起，后续所有的工作都将与工艺的物理特性、电特性等息息相关。
逻辑综合工具的功能主要是将 VerilogHDL 格式的文本映射为网表格式的文本，因此，它的功能等同于文本编译器。那么转换的方式有很多种，工具如何选取呢？逻辑综合过程中，整个文本格式的编译过程是在给定的人为约束条件下进行的，通过这些约束和设定的目标来指导工具完成 Compiler 的工作。所以，逻辑综合过程可以看成一个多目标（频率、面积、功耗）多约束的工程优化问题。该步骤中，通常会插入 DFT、clock gating 等。该步骤中通常加入 Memory、各种 IP 等。为了在各种工艺库以及 FPGA 原型验证平台之间有一个更方便的移植，注意适当处理这些 Memory、IP 等的接口。该步骤中也可加入 I/O、PLL 等。
（5）静态时序分析（STA）
目的：相对动态仿真的类穷举式验证方法而言，从静态分析的角度，保证设计中所有的路径，满足内部时序单元对建立时间和保持时间的要求。即无论起点是什么，信号都可以被及时地传递到该路径的终点，并且在电路正常工作所必需的时间段内保持恒定。
工具：Prime Time、Tempus。Prime Time 在市场中占有垄断性地位，几乎成为 STA 的标准。
特点：从逻辑综合开始，基本上每做一步大的调整，都会完成一次 STA 分析，以保证每步都能实现时序收敛。鉴于该特性非常重要，Prime Time 成为了 Sign off 的重要工具。所用到的SDC 同逻辑综合；通常设计中会存在大量的违例路径，STA 要修大量的 setup、hold 等，如何修这些违例，可以体现工作经验的重要性。此外，如果是前端修 timing 违例，一般会修的很快，但是会带来一个重大的问题，代码被前端修改后是否存在新的 bug，还需重新仿真确认，仿真会消耗掉数以月计的时间，所以除非万不得已，不会找前端修 timing。
（6）一致性验证
目的：RTL 代码和逻辑综合后的网表都可以抽象为两幅由节点和边构成的图，一致性验证阶段采用了类似于直接比较两幅图是否一致的方法，来确定逻辑综合生成的网表是否正确。
工具：Formality、Conformal
输入文件：RTL 代码、netlist（逻辑综合输出）、约束
输出文件：match（两张图节点是否一致）和 verify（计算得出两张图功能是否一致）的报告。
（7）数字后端流程
数字后端设计又称物理设计，将网标格式的文本转化成一个个有物理大小和位置的单元、连线。并且在实现过程中要满足面积、功耗、性能等要求。
业界主流的后端工具来自 synopsys、cadence 两家公司，虽然两家公司工具不同但是基本流程相似。数字后端流程如图。

Floor Plan：将 Design 导入后端工具后，检查输入文件是否缺少或者有错误。确保 Design 正常 initial 后就可以进行调整 Floor Plan。Floor Plan 主要目的是要确定 design 的形状大小，出 Pin 的位置已经所有 macro 的摆放。
Placement 目的是将所有 std cell 放入 core area 中，并且满足 congestion 和 timing 的要求。最简单的说可以分为两步： global 和 detail place。global 不考虑 cell 放的位置是否 legal；detail place 的时候会将 cell 放到附近 legal 的位置。在 place 过程中为了得到更好 timing 结果会对关键路径进行逻辑重组，删除 buffer trees。 随着工具的不断发展，目前 place 的引擎已经十分强大。例如 C 家的 giga place，它采用新的算法 slack-driven，通过计算真正 timing而不是预估的 timing 来进行 place， 在 place 的同时进行优化。
Prects 在 Place 之后 CTS 之前，我们会对进行一次 setup timing 优化。只优化 setup，原因是 clock tree 还没做，所有 clock 都是 ideal 的。
CTS：芯片中的时钟网络要驱动电路中所有的时序单元，所以时钟源端门单元带载很多，其负载延时很大并且不平衡，需要插入缓冲器减小负载和平衡延时。时钟网络及其上的缓冲器构成了时钟树。
Routing：CTS 之后整个芯片的大体结构已定。要将信号线通过金属连接起来。绕线过程主要完成一下几个目标。绕线过程中会考虑 DRC 和 LVS，绕完后不会有 DRC/LVS violations 绕线过程中不会导致 timing 变差，也不会引入新的 SI 问题。考虑 DFM，例如 multi-cut via，线宽和线间距。
（8）时序仿真
同功能仿真，只是将 RTL 代码替换为网表，然后需要加载 SDF 文件和工艺库模型。该步骤的目的在于，在延迟等近似实际工作的条件下，观察功能是否还能保持正确。

注：本文总结与mooc中邸志雄老师的芯动力课程。课程链接课程链接