芯片設(shè)計(jì)包含很多流程，每個(gè)流程的順利實(shí)現(xiàn)才能保證芯片設(shè)計(jì)的正確性。因此，對(duì)芯片設(shè)計(jì)流程應(yīng)當(dāng)具備一定了解。本文將講解芯片設(shè)計(jì)流程中的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)、模擬集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)三種設(shè)計(jì)流程。

數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)多采用自頂向下設(shè)計(jì)方式，首先是系統(tǒng)的行為級(jí)設(shè)計(jì)，確定芯片的功能、性能，允許的芯片面積和成本等。然后是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)芯片的特點(diǎn)，將其劃分成接口清晰、相互關(guān)系明確的、功能相對(duì)獨(dú)立的子模塊。接著進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，這一步盡量采用規(guī)則結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，或者利用已經(jīng)驗(yàn)證過的邏輯單元。接下來是電路級(jí)設(shè)計(jì)，得到可靠的電路圖。最后就是將電路圖轉(zhuǎn)換成版圖。

系統(tǒng)功能描述主要確定集成電路規(guī)格并做好總體設(shè)計(jì)方案。其中，系統(tǒng)規(guī)范主要是針對(duì)整個(gè)電子系統(tǒng)性能的描述，是系統(tǒng)最高層次的抽象描述，包括系統(tǒng)功能、性能、物理尺寸、設(shè)計(jì)模式、制造工藝等。功能設(shè)計(jì)主要確定系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方案，通常是給出系統(tǒng)的時(shí)序圖及各子模塊之間的數(shù)據(jù)流圖，附上簡單的文字，這樣能更清晰的描述設(shè)計(jì)功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了使整個(gè)設(shè)計(jì)更易理解，一般在描述設(shè)計(jì)可見功能之后，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)模塊及其相互連接關(guān)系也進(jìn)行描述。描述從系統(tǒng)應(yīng)用角度看，需要說明該設(shè)計(jì)適用場合、功能特性、在輸入和輸出之間的數(shù)據(jù)變換。

邏輯設(shè)計(jì)是將系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)化。通常以文本、原理圖、邏輯圖表示設(shè)計(jì)結(jié)果，有時(shí)也采用布爾表達(dá)式來表示設(shè)計(jì)結(jié)果。依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范完成模塊寄存器傳輸級(jí)代碼編寫，并保證代碼的可綜合、清晰簡潔、可讀性，有時(shí)還要考慮模塊的復(fù)用性。隨后進(jìn)行功能仿真和 FPGA 驗(yàn)證，反復(fù)調(diào)試得到可靠的源代碼。其中，還要對(duì)邏輯設(shè)計(jì)的 RTL 級(jí)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行性能及功能分析，主要包括代碼風(fēng)格、代碼覆蓋率、性能、可測(cè)性和功耗評(píng)估等。

電路設(shè)計(jì)大體分為邏輯實(shí)現(xiàn)、版圖前驗(yàn)證和版圖前數(shù)據(jù)交付三個(gè)階段。邏輯實(shí)現(xiàn)將邏輯設(shè)計(jì)表達(dá)式轉(zhuǎn)換成電路實(shí)現(xiàn)，即用芯片制造商提供的標(biāo)準(zhǔn)電路單元加上時(shí)間約束等條件，使用盡可能少的元件和連線完成從 RTL 描述到綜合庫單元之間的映射，得到一個(gè)在面積和時(shí)序上滿足需求的門級(jí)網(wǎng)表。

時(shí)鐘樹插入也將在邏輯實(shí)現(xiàn)中完成，插入時(shí)鐘樹后，再進(jìn)行邏輯綜合、功耗優(yōu)化和掃描鏈插入后得到門級(jí)網(wǎng)表，并通過延遲計(jì)算得到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)格式(SDF)文件。版圖前驗(yàn)證利用邏輯實(shí)現(xiàn)得到的相關(guān)門級(jí)網(wǎng)表和 SDF 文件，進(jìn)行門級(jí)邏輯仿真和測(cè)試綜合，包括靜態(tài)時(shí)序仿真、動(dòng)態(tài)仿真、功耗分析、自動(dòng)測(cè)試圖形生成等，經(jīng)過版圖前驗(yàn)證得到的電路設(shè)計(jì)門級(jí)網(wǎng)表必須要滿足一定的時(shí)序 / 功耗約束要求。

物理設(shè)計(jì)就是版圖設(shè)計(jì)。將綜合得到的網(wǎng)表和時(shí)序約束文件導(dǎo)入 EDA 軟件中，進(jìn)行布局布線，生成符合設(shè)計(jì)要求的 Layout,在完成了全部的 Layout 之后，利用相關(guān)提取軟件進(jìn)行寄生參數(shù)提取，并重新反饋到物理實(shí)現(xiàn)的布局布線軟件中，進(jìn)行時(shí)序計(jì)算和重新優(yōu)化，直得到滿意的時(shí)序結(jié)果為止。

這時(shí)可以生產(chǎn)包含精確寄生信息的 SDF 文件，與布局布線后生成的網(wǎng)表一道進(jìn)行時(shí)序分析。時(shí)序分析通過后，就可以導(dǎo)出布局布線后的 GDS 格式的版圖數(shù)據(jù)，供后續(xù)流程使用。在版圖設(shè)計(jì)完成之后，非常重要的一步工作就是版圖驗(yàn)證。版圖驗(yàn)證保證了芯片依照其設(shè)計(jì)功能準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)，主要包括設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)、電路版圖對(duì)照檢查(LVS)、版圖的電路提取(NE)、電學(xué)規(guī)則檢查(ERC)和寄生參數(shù)提取(PE)。

芯片設(shè)計(jì)十分值得大家關(guān)注，為保證芯片設(shè)計(jì)的正確性，我們應(yīng)當(dāng)了解每一個(gè)芯片設(shè)計(jì)流程。本文，將向大家簡單介紹芯片設(shè)計(jì)流程中的模擬集成電路設(shè)計(jì)，希望大家通過本文對(duì)芯片設(shè)計(jì)的模擬集成電路設(shè)計(jì)有個(gè)模糊認(rèn)識(shí)。其中每個(gè)步驟的具體做法，小編將在后續(xù)文章中為大家介紹。

早在 20 世紀(jì) 80 年代初期，就有人預(yù)言模擬電路即將消失。當(dāng)時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理算法的功能日益增強(qiáng)，而 VLSI 技術(shù)的發(fā)展又使得在一塊芯片上集成數(shù)百萬、上千萬個(gè)晶體管成為可能。由于這些算法可以在硅片上緊湊而有效的實(shí)現(xiàn)，所以許多傳統(tǒng)上采用模擬電路形式來實(shí)現(xiàn)的功能很容易在數(shù)字領(lǐng)域內(nèi)完成，例如，數(shù)字音頻和無線蜂窩電話。

完成一個(gè)模擬集成電路的設(shè)計(jì)，需要多個(gè)步驟，具體包括：①規(guī)格定義;②電路結(jié)構(gòu)選擇以及工藝確定;③具體電路設(shè)計(jì);④電路仿真;⑤版圖設(shè)計(jì);⑥版圖驗(yàn)證;⑦后仿真。混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)字電路和模擬電路做整體上的考慮以及驗(yàn)證，這將面臨許多挑戰(zhàn)和困難。

傳統(tǒng)的混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)是采用有底向上的方法，用 SPICE 等電路仿真器對(duì)混合電路中的模擬元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，用數(shù)字電路仿真器對(duì)數(shù)字電路部分進(jìn)行仿真。然后通過手工建立網(wǎng)表，對(duì)數(shù)字和模擬電路的協(xié)同工作進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。然而，模擬電路和數(shù)字電路之間協(xié)同工作的驗(yàn)證比較困難，因此用這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法仿真和驗(yàn)證整個(gè)混合電路系統(tǒng)既費(fèi)時(shí)，又不精確，特別對(duì)于復(fù)雜度越來越大的系統(tǒng)而言，這種缺陷更顯突出。

隨著 EDA 技術(shù)的飛速發(fā)展，混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)推進(jìn)到了自頂向下的設(shè)計(jì)流程。該流程同數(shù)字系統(tǒng)自頂向下的流程相似，但與純數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有所不同，這是因?yàn)榛旌舷到y(tǒng)模擬部分仍然需要自底向上的設(shè)計(jì)，需要更多的時(shí)間和豐富的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。因此，研究如何采用通用的設(shè)計(jì)方法和共有的約束與資源來建立混合系統(tǒng)，是十分有價(jià)值的。

混合信號(hào)集成電路的基本設(shè)計(jì)流程主要包括設(shè)計(jì)規(guī)劃、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、模擬電路 / 數(shù)字電路劃分、電路級(jí)設(shè)計(jì)與仿真、版圖級(jí)設(shè)計(jì)與仿真等。研究和開發(fā)混合信號(hào)集成電路首先應(yīng)從市場需求出發(fā)，選定一個(gè)研究開發(fā)的目標(biāo)，然后確定混合信號(hào)集成電路的系統(tǒng)定義、系統(tǒng)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)和選擇合適的算法。在這個(gè)階段，需要根據(jù)電路的功能將模擬電路和數(shù)字電路劃分開來。數(shù)字電路用來處理離散的信號(hào)，模擬電路則處理連續(xù)的信號(hào)。

電路可以通過具體的元器件，例如，運(yùn)算放大器、晶體管、電容器、邏輯門等來表征。混合信號(hào)集成電路包括數(shù)字和模擬兩部分，其中模擬電路一般全定制設(shè)計(jì)，采用自底向上的設(shè)計(jì)流程，進(jìn)行全定制版圖設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、仿真;數(shù)字電路一般采用自頂向下的設(shè)計(jì)流程，進(jìn)行寄存器傳輸級(jí)描述、寄存器傳輸級(jí)仿真、測(cè)試、綜合、門級(jí)仿真。然后，將兩種電路放在混合信號(hào)驗(yàn)證平臺(tái)中進(jìn)行混合仿真。

這種混合仿真可以是寄存器傳輸級(jí)的數(shù)字電路與晶體管級(jí)的模擬電路的混合仿真，也可以是門級(jí)或晶體管級(jí)的數(shù)字電路與模擬電路的混合仿真。目前設(shè)計(jì)者主要采用由 Mentor Graphics、Synopsys 和 Cadence 三大 EDA 工具供應(yīng)商提供的模擬和混合信號(hào)工具和技術(shù)進(jìn)行混合仿真。

在這兩個(gè)階段，將整合后的電路級(jí)設(shè)計(jì)，結(jié)合相關(guān)物理實(shí)現(xiàn)工藝，進(jìn)行對(duì)相關(guān)模擬電路和數(shù)字電路的版圖設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、版圖驗(yàn)證、寄生參數(shù)提取等工作。之后通過相關(guān)的混合信號(hào)驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行混合信號(hào)電路的后仿真。在后仿真完成后，就可以將幾何數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(GDSII)格式的文件送到制板廠做掩膜板，制作完成后便可上流水線流片。

審核編輯 黃昊宇