数字IC丨后端设计是个啥？

最近的私信咨询里，很多同学分不清数字IC设计前端和后端的区别，前端设计似乎很容易理解，简单来说就是敲代码的，只不过没有用C++和python，用的是硬件描述语言Verilog。

但一说到后端设计，很多同学就懵了，逻辑综合，布局布线，这都什么意思？

甚至有些人一听到后端就以为是做工艺的。（后端设计：“你礼貌吗？”

从薪资待遇上来说，数字IC的三个岗位（前端设计、功能验证、后端设计）其实是相差不大的，只是有些同学因为一知半解的缘故，原本更适合做后端，却草草选了验证。

所以今天我们来重点说一下后端设计的职能要求和设计环节，希望能够让各位同学清楚了解到后端设计到底是在做哪些工作！

01职能要求

首先作为后端设计实现的我们，主要工作就是将前端设计的RTL代码转化成门级网表，最终生成GDSⅡ文件，到这里就可以拿到工厂进行流片生产了。

而后端所起的价值，就是在满足设计要求的情况下，尽可能通过自己的经验知识来加速设计的迭代，加快项目的进展，但是在每个阶段又分很多不同的努力。

大公司对于前后端的分工较为明确，各司其职。但是也有一些设计公司，给后端设计者们的是rtl的代码和基本的约束，需要我们自己去做逻辑综合。这里分为两种工具，分别是Synopsys的DC和Cadence的Gunus。

通过综合，我们可以得到后端设计的必需元素之一，网表。关于逻辑综合，这里后续我们会展开来说。

一般来说，我们得到一个满足要求的网表之后，就可以进行后续的PD工作了(physical design ，物理设计。关于设计中常用的缩写及介绍后续也会有专门的名词解释模块，帮助各位更快融入设计)

接下来进入主要的设计环节，主要的设计工具分为两种，分别是Synopsys的ICC2和Cadence的Innovus。

02设计环节

后端设计就是从输入网表到输出GDSII文件的过程：主要分为以下六个步骤：

1.逻辑综合

逻辑综合就是把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，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）

2. 形式验证

验证芯片功能的一致性

不验证电路本身的正确性

每次电路改变后都需验证

形式验证的意义在于保障芯片设计的一致性，一般在逻辑综合，布局布线完成后必须做。

工具：synopsys Formality

3. 物理实现

物理实现可以分为三个部分:

布图规划floor plan

布图规划是整个后端流程中最重要的一步，但也是弹性最大的一步。因为没有标准的最佳方案，但又有很多细节需要考量。

布局布线的目标：优化芯片的面积，时序收敛，稳定，方便走线。

工具：IC compiler，Encounter

布局（place）

布局即摆放标准单元，I/O pad，宏单元来实现个电路逻辑。

布局目标：利用率越高越好，总线长越短越好，时序越快越好。

但利用率越高，布线就越困难；总线长越长，时序就越慢。因此要做到以上三个参数的最佳平衡。

布线route

布线是指在满足工艺规则和布线层数限制、线宽、线间距限制和各线网可靠绝缘的电性能约束条件下，根据电路的连接关系，将各单元和I/O pad用互连线连接起来。

4. 时钟树综合——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。

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

这一环节是对完成布线的物理版图进行功能和时序上的验证，大概包含以下方面：

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；

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）问题等。

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。

最后进行封装和测试，就得到了我们实际看见的芯片。

设计过程的大致步骤基本如上。但是对于一个设计，这远远不够，同时，工具的操作并不一定，或者说大概率会存在问题。所以后续还需要设计者进行手动的操作。主要包括像时序的修复，drc，lvs的修复等等。后续将对设计后期的一些进行详细的说明。

以上内容即是对后端设计的大体描述了，可能在某些小白同学看来还是有些似懂非懂，但在有一定数电模电基础后，了解芯片设计全流程的内容之后，就会有豁然开朗的感觉。