- 如何從零開始設計一顆芯片？
- 來源：文章轉載自公眾號 陌上風騎驢看IC 發表于 2019/1/1
內容來自「陌上風騎驢看IC」，作者：陌上風騎驢 ，謝謝。
在各方助力下，集成電路成了時代熱點，有大量文章在寫芯片設計之復雜之困難，老驢打算從EDA 使用角度捋一遍芯片設計流程。在老驢畫出第一副圖之后，發現熟知的只有數字電路部分的一小段，對系統、軟件及上層應用完全無知，只能歸類為Others。
于消費者而言，一個可以使用的系統，有數字集成電路部分、模擬集成電路部分、系統軟件及上層應用部分。關于各個部分的功能，借用IC 咖啡胡總的精品圖可以一目了然。外部世界是一個模擬世界，故所有需要與外部世界接口的部分都需要模擬集成電路，模擬集成電路將采集到的外部信息轉化成0/1 交給數字集成電路運算處理，再將數字集成電路運算處理完的信號轉化成模擬信號輸出;而這一切的運算過程都是在系統軟件的號令跟監控下完成的，故曰：芯片是骨架，系統軟件是靈魂。
數字集成電路設計實現流程是個相當漫長的過程，拿手機基帶芯片為例，對于3G, 4G, 5G, 工程師最初見到的是無數頁的協議文檔。架構師要根據協議來確定：協議的哪些部分可以用軟件實現，哪些部分需要用硬件實現;算法工程師要深入研讀協議的每一部分，并選定實現所用算法;芯片設計工程師，需要將算法工程師選定的算法，描述成RTL; 芯片驗證工程師，需要根據算法工程師選定的算法設計測試向量，對RTL 做功能、效能驗證;數字實現工程師，需要根據算法工程師和設計工程師設定的目標PPA 將RTL 揉搓成GDS; 芯片生產由于太過復雜，完全交由代工廠完成，封裝亦是;對于測試，大部分公司都是租借第三方測試基臺由自己的測試工程師完成，只有少部分土豪公司才會有自己的測試基臺，賽斯維傳感器。
一顆芯片，性能的60% 取決于架構師，在國內好的架構師不超過三位數，極好的架構師不超過兩位數，架構師是芯片靈魂的締造者，是食物鏈的最頂端，是牛逼閃閃的存在，就驢淺顯認知，除了office 似乎沒有EDA 工具用于架構設計;架構敲定了之后，大量的算法工程師跟上，對于協議規定的每個點，都要選擇適當的算法，用C/C++ 做精確模擬仿真，要確保功能、精度、效率、吞吐量等指標，Matlab 跟GCC 應該是他們使用最多的工具。
設計工程師根據算法工程師經過反復模擬仿真選擇的算法，將抽象描述或定點C 轉換成RTL, 在設計過程中需要反復仿真、綜合，以確定設計功能的正確性，跟設計能達到的PPA. 除了RTL, 設計工程師還需要根據設計目標編寫SDC 和power intent, 并做對應的質量檢查。設計工程師需要使用大量EDA 工具：
編輯器：VIM, emac;
Lint : RTL 質量檢查，Spyglass, Jasper;
CDC: SDC 質量檢查，Spyglass, Conformal, GCA;
CPF/1801: power intent 質量檢查，CLP;
Power: RTL 級功耗分析，Joules, PA;
仿真器：C, S, M 三家都有各自的仿真工具;
綜合：Genus, DC;
老驢以為，從集成開始，由腦力勞作進入體力勞作，對比蓋房子，就是從設計師到泥瓦工。集成工程師，要把芯片所用的所有模塊相互連接起來，指導思想是架構工程師確定的，各個IP 如何連接是各IP 的owner 確定的，集成工程師只要保證不多連、不少連、不亂連即可，據說當前也沒有什么有效的集成工具，常用到的是emac。
驗證
接著捋，實際項目中驗證跟綜合從RTL coding 開始就會交叉進行，反復迭代。
驗證在數字芯片設計中占很大比例，近些年在設計復雜度的推動下驗證方法學跟驗證手段在不斷更新，從OVM 到UVM, 從Dynamic verification 到Static verification, 從FPGA 到Emulator, 所有革新目的可概括為：快速、完備、易調試。驗證涉及到許多方面，驗證工程師一方面要對相關協議算法有足夠了解，根據架構、算法工程師設定的目標設計仿真向量;另一方面要對設計本身足夠了解，以提高驗證效率，縮短驗證時間。驗證工程師需要掌握許多技術，需要使用許多工具。
語言：各種腳本語言之外，C/C++, SystemVerilog, Verilog;
協議：各種接口協議，各種通信協議，各種總線協議;
工具：動態仿真工具，靜態仿真工具，FPGA, Emulator;
數字驗證領域，依舊是C, S, M 三家幾乎全霸，老驢已不做驗證多年，對S, M 兩家驗證相關工具除了VCS, Verdi, Modelsim 其他幾乎無知，此處拿C 家驗證全套為例。
Static Verification: Jasper Gold 是C 家新近推出的靜態驗證工具，驢所理解的靜態驗證是基于斷言的驗證方法學，所謂靜態即不需要輸入測試激勵，驗證過程是純數學行為。
Dynamic Verification: Xcelium 是C 家的動態驗證工具，驢所理解的動態驗證是基于UVM 的驗證方法學，通過輸入測試激勵，監控仿真結果，分析覆蓋率完成功能驗證。
Emulator: 硬件仿真加速器，粗暴理解：有debug 功能的集成了豐富接口的巨型可編程陣列;特點：超高速驗證、支持系統軟件調試。帕拉丁是C 家在驗證領域的明星產品，是行業翹楚，據說常有欽差蒞臨硅廠在帕拉丁前駐足良久，賞其外形之美，贊其功能之強。
Verification IP: 驗證需要各種驗證模型，各種IP, 各種總線，各種高速接口。
FPGA 的一大應用是驗證，故提一嘴。在世上曾經有兩家牛逼閃閃的FPGA 公司，一家是Altera 另一家是Xilinx, 后來Altera 像Mentor 一樣找了個大爺把自己賣了。FPGA 內除了可編程邏輯之外，通常還會集成各種IP, 如CPU, DSP, DDR controller 等。每家FPGA 都有各種配置，根據集成的IP, 可編程邏輯的規模，可達到的速度，價格相差極大。相對于ASIC, FPGA 也有一套對應的EDA 工具，用于綜合、布局布線、燒錄、調試。如：Synplify, Quartus。
國內現狀：Static Verification, Dynamic Verification, Emulator 幾乎空白;國內有一些FPGA 公司，在中低端領域已經做得非常不錯，但是高端領域幾乎空白。任重而道遠，不矯飾，腳踏實地干!
實現
接著上面說的我們繼續捋數字芯片設計實現流程，今天進入實現階段，對于這一段驢只熟悉其中的綜合、形式驗證、低功耗驗證、RTL 功耗分析、STA, 其他部分都是一知半解，故無深究，只捋流程。
整個實現階段，可以概括成玩EDA 工具及基于EDA 工具的方法學，EDA 工具無疑是實現階段的主導，一顆芯片做得好不好，在實現階段之前基本取決于工程師的能力強不強，而在實現階段之后基本取決于EDA 工具玩得好不好。整個設計實現流程，涉及到許多工具，此處列出四家主要參與者，空白部分不代表沒有，只代表驢不知。
數字電路實現流程，從大方向上可以分成兩部分：優化跟驗證。優化，會更改邏輯描述方式，會更改邏輯結構，會插入新邏輯，這所有的動作都存在引入錯誤的風險，故需要驗證工具予以監控;驗證，要確保邏輯優化過程不改變邏輯功能，要確保時序滿足既定目標需求，要確保無物理規則違規，要確保信號完整性，這所有的驗證都有一套對應的通過規則，但凡有某一項不達標，就不能拿去生產制造。
高級綜合：所謂的高級綜合就是將C/ C++/ System C描述的設計意圖，“翻譯”成用Verilog/ System Verilog 描述的RTL, 多應用于運算邏輯主導的設計，除了三巨頭，市面上有許多小公司在這一個點上也做得不錯。
綜合：在實現流程中，就背后算法而言，綜合一定是最難最復雜的。綜合首先將Verilog/ System Verilog/ VHDL 描述的邏輯轉化成由Gtech 描述的邏輯，再對Gtech 邏輯做優化，優化后再將Gtech 描述映射到對應工藝庫。其中優化過程涉及到多個方面，近年來EDA 工具的發展方向基本可以概括為：容量，速度，相關性。容量：指可處理的設計規模;速度：指EDA 工具的優化速度;相關性：指跟布局布線之間的相關性。主流工具：Genus, Design Compiler. 在這一點上，幾乎再難有后起之秀，除非有朝一日，整個數字電路的設計方法學發生顛覆性的革新。
DFT: 插入壓縮解壓縮邏輯，插入scan chain, 插入Mbist, 插入Lbist, 插入Boundary Scan, 插入OCC, 插入Test Point, 生成ATPG pattern, 故障診斷，DFT 工程師像老中醫插入、觀察、診斷。當今市面上DFT 工程師緊缺，貴!主流工具：Tessenst, Modus, TetraMax.
ECO: 但凡有新的東西引入，就可能引入bug, 早期發現bug 可以重新走一遍實現流程，如果在后期發現bug 重走一遍流程的代價太大，通常的做法就是ECO. 對于簡單的bug 修復手工ECO 就可以，但是對于復雜的bug 修復，手工ECO 有心無力，故需要有EDA 工具來完成相應的工作。當前世面上最好用的自動ECO 工具非Conformal ECO 莫屬。最近也有一些startup 做對應的點工具，整個思路跟CECO 類似，但是沒有自己的綜合工具優化ECO 后的補丁，就很難得到一個好的結果。
布局布線：在進入納米時代之前，布局布線并沒那么復雜，從90nm 開始到如今的3nm，布局布線的復雜度呈指數增長，從floorplan 到placement 到CTS 到Routing 每一步涉及到的算法在近年都做了顛覆性的革新，以Innovus 的問世為起點，布局布線進入到了一個新紀元。在AI 的浪潮下C 跟S 都一頭扎了進去，要做世上最智能的布局布線工具，也許有朝一日可以像跟小度對話一樣：
硅農：Innovus 請解析A 文件，按設定目標做個功耗最優的結果;
Innovus: 已讀取目標文件，根據設計數據分析，本設計大概需要250G 內存，在5小時內完成，請選擇任務完成后是否自動進入后續程序......
RTL 功耗分析：這一步可以放在實現端做也可以放在實現之前做。分析過程相對簡單：讀入RTL, SDC, 仿真激勵，通過計算分析平均功耗跟瞬時功耗，找出設計中的“功耗缺陷”，指導Designer 進行功耗優化。主流工具有：Joules, Spyglass, PowerArtist。
形式驗證：在整個實現流程中，形式驗證充當邏輯功能等效性的監察官，任何一步優化結束后都需要過形式驗證這一關，以確保在優化過程中，邏輯功能未被改變。主流工具：LEC, Formality. 隨著設計規模的暴增跟優化技術的飛速發展，形式驗證的難度逐漸增加，占用的時間逐漸增多，SmartLEC 是針對復雜設計的先行者。
低功耗驗證：針對低功耗設計，低功耗驗證要驗證CPF/ UPF/ 1801 的語法語義跟描述意圖，要驗證低功耗單元未多插，未漏插，未亂插，要驗證電源跟地的鏈接符合設計意圖，要驗證電特性的完整性。主流工具：CLP。
STA: Timing signoff, STA 看似龐雜，其實并不復雜，相比于優化過程要簡單得多，拋開Timing ECO, STA 所有的動作都只是計算而不是求解，不恰當的比方：STA 就好比幼兒園的算術題，加數跟被加數都在那里，只要求個和即可;而優化過程是求最優解或近似最優解的過程，要難得多。近年來STA EDA 工具主要在幾個方向著力：如何模擬制造過程的隨機工藝偏差，如何處理超大規模設計，如何模擬新工藝結點電特性對時序的影響。
Power Signoff: 驗證設計的電源網絡是否足夠強悍，分析，發現，修正：IR-drop 跟EM. 主流工具：Voltus, RedHawk.
物理驗證: 驗證所有的管子、過孔、走線是否滿足Foundry 制定的規則，是個體力活，有點像蓋好房子之后的垃圾清理，主流工具：Calibre, PVS, ICV.
整個數字實現流程中涉及到諸多工具，三巨頭在領跑，后面基本沒有跟隨者，偶爾有某個點工具做得好的后起之秀，大多都會被三巨頭吃了，這也算是行業套路。就市值看，三巨頭加起來來也不及互聯網公司一條腿粗，然而在整個芯片設計實現過程中卻不可或缺，吾國要強大芯片產業，必須要在EDA 這一塊加大投入，方能離脫離被掐著脖子走更進一步。
賽斯維傳感器網（www.sensorway.cn）
