芯片開發(fā)到底有多難？芯片設(shè)計(jì)的四個(gè)步驟

芯片近些年來一直是風(fēng)口，幾乎所有有實(shí)力的上市公司都要蹭下這個(gè)熱度：自研芯片。這也誕生了很多工作崗位，相對(duì)于硬件工程師，軟件開發(fā)工程師能做的事情有限，但是也是非常重要的，而且跟著風(fēng)口喝口湯也是可以的。整體來說：需求、架構(gòu)、驗(yàn)證是需要軟件參與的，本文結(jié)合自己的部分經(jīng)驗(yàn)，從最基本的芯片設(shè)計(jì)流程進(jìn)行介紹，其中會(huì)涉及一些可能你經(jīng)常聽到的卡脖子技術(shù)。

芯片設(shè)計(jì)的四個(gè)步驟，如上圖，我們只關(guān)注需求和設(shè)計(jì)，制造和封裝不是我們軟件工程師能左右的。

1. 市場(chǎng)需求

要做一個(gè)芯片，首先得有需求，也就是應(yīng)用場(chǎng)景，有市場(chǎng)去買單。當(dāng)前科技時(shí)代，電子技術(shù)在各方面都有應(yīng)用，可以說有電路板的地方就有芯片需求。例如手機(jī)、電腦、智能家具，我們的衣食住行用等方方面面。

有了需求，就可以根據(jù)需求梳理出來我們硬件上需要那些模塊功能和性能指標(biāo)，以及軟硬件上要用的技術(shù)。這些需要軟硬件的架構(gòu)師進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終形成Spec。 Spec會(huì)確定所有的功能和要求，之后才可以進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)。

1.1 關(guān)于EDA 模擬軟件

軟件在做架構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，有時(shí)候需要進(jìn)行一些驗(yàn)證，看軟件是否支持，可以使用qemu模擬運(yùn)行的方式看應(yīng)用能支持不。

軟硬件在做架構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以使用很多IC廠商提供的IP集成工具來模擬SoC，就是用純軟件的方式把SoC上的各個(gè)IP都添加模擬出來，例如VDK(Virtualizer Development Kit)工具。

這里說的VDK工具，其實(shí)就是一種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA（Electronics Design Automation）工具，也就是我們俗稱的EDA工具。這是我們卡脖子的技術(shù)之一，很復(fù)雜，而在芯片設(shè)計(jì)中非常的重要，貫穿設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和制造，特別是驗(yàn)證可以大力減少出錯(cuò)成本和縮短研發(fā)周期。可謂“沒有金剛鉆，不攬瓷器活”。詳細(xì)可以參考：淺談EDA驗(yàn)證工具，芯片開發(fā)到底有多難？

VDK與qemu的區(qū)別就是qemu支持的芯片型號(hào)有限，自己添加很麻煩，要修改qemu的源碼。而在VDK圖形界面上點(diǎn)一點(diǎn)就可以添加一個(gè)IP，而且很多IP是不出名的，廠商私有的不會(huì)廣泛支持，就需要自己加。所以IP廠商基本會(huì)有自己的集成驗(yàn)證工具供客戶使用。

芯片開發(fā)的周期很漫長(zhǎng)，在最開始需求階段，一些應(yīng)用上的軟件也許就具備開發(fā)條件了，例如在qemu上進(jìn)行app應(yīng)用的開發(fā)，一些依賴于SoC上IP的應(yīng)用，可以使用VDK做一些數(shù)據(jù)流的通路開發(fā)，并不支持具體的業(yè)務(wù)，這樣后續(xù)拿到真正芯片后就可以省略很多一部分研發(fā)任務(wù)，并且可以提前驗(yàn)證軟件技術(shù)方案的可行性。如果軟件技術(shù)方案不可行需要修改SoC硬件也可以及早的修改。因?yàn)樾酒邪l(fā)越到后期修改的成本越大，如果流片了還需要修改，那就快game over了，巨額資金打水漂。所以寧愿先投入研發(fā)人員去慢慢磨，也不愿意在硬件上去試錯(cuò)，人可沒芯片生產(chǎn)值錢。

1.2 關(guān)于架構(gòu)師

數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程是個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)的過程，拿手機(jī)基帶芯片為例，對(duì)于3G, 4G, 5G, 工程師最初見到的是無數(shù)頁(yè)的協(xié)議文檔。

架構(gòu)師要根據(jù)協(xié)議來確定：協(xié)議的哪些部分可以用軟件實(shí)現(xiàn)，哪些部分需要用硬件實(shí)現(xiàn)；

算法工程師要深入研讀協(xié)議的每一部分，并選定實(shí)現(xiàn)所用算法；

芯片設(shè)計(jì)工程師，需要將算法工程師選定的算法，描述成RTL;

芯片驗(yàn)證工程師，需要根據(jù)算法工程師選定的算法設(shè)計(jì)測(cè)試向量，對(duì)RTL 做功能、效能驗(yàn)證；

數(shù)字實(shí)現(xiàn)工程師，需要根據(jù)算法工程師和設(shè)計(jì)工程師設(shè)定的目標(biāo)PPA 將RTL 揉搓成GDS;

芯片生產(chǎn)由于太過復(fù)雜，完全交由代工廠完成，封裝亦是；

對(duì)于測(cè)試，大部分公司都是租借第三方測(cè)試基臺(tái)由自己的測(cè)試工程師完成，只有少部分土豪公司才會(huì)有自己的測(cè)試基臺(tái)。

架構(gòu)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。

2. 芯片設(shè)計(jì)概述

芯片設(shè)計(jì)分為兩部分，前端（邏輯設(shè)計(jì)）和后端（物理設(shè)計(jì)）。

? 這其中很多流程看似高大上，但是有IP供應(yīng)商提供的工具以后，其實(shí)就是界面上點(diǎn)點(diǎn)的事情。芯片設(shè)計(jì)中涉及的工具繁多，基本都是老外的，這需要國(guó)內(nèi)芯片公司的崛起，有自己的很多IP后才可以投入到這些工具的研發(fā)中去。

有一個(gè)說法就是老外掌握一項(xiàng)新技術(shù)，首先就是加密做界面化，不提供源碼然后商業(yè)賣錢。而這個(gè)周期要延遲一兩年到市場(chǎng)上，而中國(guó)則直接推給自己的客戶，客戶有能力抄的就抄跑了，大家都不太注重商業(yè)保密，可能技術(shù)比較low不用藏著掖著，大家都是抄的。。。這就是中國(guó)速度。

3. 芯片前端設(shè)計(jì)

RTL設(shè)計(jì)

驗(yàn)證

靜態(tài)時(shí)序分析

覆蓋率

ASIC邏輯綜合

3.1 RTL設(shè)計(jì)

首先要確定芯片的工藝，如下圖：

RTL（register transfer level) 設(shè)計(jì)：利用硬件描述語(yǔ)言，如VHDL，Verilog，System Verilog, 對(duì)電路以寄存器之間的傳輸為基礎(chǔ)進(jìn)行描述。 RTL使用代碼編寫，來實(shí)現(xiàn)功能模塊，就是一個(gè)個(gè)IP。這些IP分為數(shù)字IP和模擬IP：

SOC芯片最終由SOC integration工程師把各個(gè)IP集成到一起。

上圖中我們可以看到一個(gè)典型的SoC有那些IP，例如CPU，DSP，USB外設(shè)，memory等。對(duì)于RTL還需要進(jìn)行支持BIST（自測(cè)試），設(shè)計(jì)的時(shí)候也需要做可測(cè)性設(shè)計(jì)DFT（Design For Test）

除了對(duì)功能測(cè)試，還需要對(duì)代碼進(jìn)行自動(dòng)檢查：通過lint, Spyglass等工具，針對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，包括代碼編寫風(fēng)格，DFT，命名規(guī)則和電路綜合相關(guān)規(guī)則等檢查。

3.2 驗(yàn)證

驗(yàn)證是保證芯片功能正確性和完整性最重要的一環(huán)。驗(yàn)證的工作量也是占整個(gè)芯片開發(fā)周期的50%-70%，相應(yīng)的，驗(yàn)證工程師與設(shè)計(jì)工程師的數(shù)量大概在2-3:1。從驗(yàn)證的層次可以分位：模塊級(jí)驗(yàn)證，子系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證和系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證。從驗(yàn)證的途徑可以分為：模擬（simulation），仿真和形式驗(yàn)證（formality check）。

這里又出現(xiàn)了芯片驗(yàn)證，這里軟件開發(fā)人員又來活了，之前在qemu、VDK上模擬的程序現(xiàn)在可以在RTL上模擬了，這里是越來越貼近硬件了。在多平臺(tái)驗(yàn)證雖然很繁瑣，就像驗(yàn)證完一個(gè)玩具系統(tǒng)，然后繼續(xù)下一個(gè)，好似沒有用，但是每一次都是在進(jìn)步。這里需要注意的一點(diǎn)就是在各個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)下的代碼復(fù)用問題，大的模塊差異可以通過編譯時(shí)區(qū)分，小的差異可以通過運(yùn)行時(shí)讀取標(biāo)志寄存器來在代碼里面走不同分支或加載不同的配置文件區(qū)分，這里需要把握一個(gè)度。 一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：多用配置文件例如xml、dts、config文件，不用宏，直接debug版本適應(yīng)所有驗(yàn)證平臺(tái)，編譯時(shí)借助編譯工具腳本自動(dòng)區(qū)分。

3.3 靜態(tài)時(shí)序分析（STA）

靜態(tài)時(shí)序分析是套用特定的時(shí)序模型（timing model）,針對(duì)特定電路，分析其是否違反designer給定的時(shí)序限制（timing constraint）。
目前主流的STA工具是synopsys的Prime Time。

? 靜態(tài)時(shí)序分析的作用：

確定芯片最高工作頻率

通過時(shí)序分析可以控制工程的綜合、映射、布局布線等環(huán)節(jié)，減少延遲，從而盡可能提高工作頻率。

檢查時(shí)序約束是否滿足

可以通過時(shí)序分析來查看目標(biāo)模塊是否滿足約束，如不滿足，可以定位到不滿足約束的部分，并給出具體原因，進(jìn)一步修改程序直至滿足要求。

分析時(shí)鐘質(zhì)量

時(shí)鐘存在抖動(dòng)、偏移、占空比失真等不可避免的缺陷。通過時(shí)序分析可以驗(yàn)證其對(duì)目標(biāo)模塊的影響。

3.4 覆蓋率

覆蓋率作為一種判斷驗(yàn)證充分性的手段，已成為驗(yàn)證工作的主導(dǎo)。從目標(biāo)上，可以把覆蓋率分為兩類：代碼覆蓋率作用：檢查代碼是否冗余，設(shè)計(jì)要點(diǎn)是否遍歷完全。檢查對(duì)象：RTL代碼功能覆蓋率作用：檢查功能是否遍歷檢查對(duì)象：自定義的container 在設(shè)計(jì)完成時(shí)，要進(jìn)行代碼覆蓋率充分性的sign-off, 對(duì)于覆蓋率未達(dá)到100%的情況，要給出合理的解釋，保證不影響芯片的工能。

3.5 ASIC綜合

邏輯綜合的結(jié)果就是把設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的RTL代碼翻譯成門級(jí)網(wǎng)表（netlist）的過程。
在做綜合時(shí)要設(shè)定約束條件，如電路面積、時(shí)序要求等目標(biāo)參數(shù)。
工具：synopsys的Design compiler, 綜合后把網(wǎng)表交給后端。
至此我們前端的工作就結(jié)束啦！

4. 后端設(shè)計(jì)

1．邏輯綜合 2．形式驗(yàn)證 3．物理實(shí)現(xiàn) 4．時(shí)鐘樹綜合－CTS 5．寄生參數(shù)提取 6．版圖物理驗(yàn)證

4.1 邏輯綜合

同3.5中前端的邏輯綜合

4.2 形式驗(yàn)證

1）驗(yàn)證芯片功能的一致性 2）不驗(yàn)證電路本身的正確性 3）每次電路改變后都需驗(yàn)證形式驗(yàn)證的意義在于保障芯片設(shè)計(jì)的一致性，一般在邏輯綜合，布局布線完成后必須做。工具：synopsys Formality

4.3 物理實(shí)現(xiàn)

物理實(shí)現(xiàn)可以分為三個(gè)部分：

布局規(guī)劃 floor plan

布局 place

布線 route

物理實(shí)現(xiàn)可以分為三個(gè)部分：

布局規(guī)劃 floor plan

布局 place

布線 route

布圖規(guī)劃floor plan 布圖規(guī)劃是整個(gè)后端流程中作重要的一步，但也是彈性最大的一步。因?yàn)闆]有標(biāo)準(zhǔn)的最佳方案，但又有很多細(xì)節(jié)需要考量。布局布線的目標(biāo)：優(yōu)化芯片的面積，時(shí)序收斂，穩(wěn)定，方便走線。工具：IC compiler，Encounter 布圖規(guī)劃完成效果圖：

布局布局即擺放標(biāo)準(zhǔn)單元，I/O pad，宏單元來實(shí)現(xiàn)個(gè)電路邏輯。布局目標(biāo)：利用率越高越好，總線長(zhǎng)越短越好，時(shí)序越快越好。但利用率越高，布線就越困難；總線長(zhǎng)越長(zhǎng)，時(shí)序就越慢。因此要做到以上三個(gè)參數(shù)的最佳平衡。布局完成效果圖：

布線布線是指在滿足工藝規(guī)則和布線層數(shù)限制、線寬、線間距限制和各線網(wǎng)可靠絕緣的電性能約束條件下，根據(jù)電路的連接關(guān)系，將各單元和I/O pad用互連線連接起來。

4.4 時(shí)鐘樹綜合——CTS

Clock Tree Synthesis，時(shí)鐘樹綜合，簡(jiǎn)單點(diǎn)說就是時(shí)鐘的布線。由于時(shí)鐘信號(hào)在數(shù)字芯片的全局指揮作用，它的分布應(yīng)該是對(duì)稱式的連到各個(gè)寄存器單元，從而使時(shí)鐘從同一個(gè)時(shí)鐘源到達(dá)各個(gè)寄存器時(shí)，時(shí)鐘延遲差異最小。這也是為什么時(shí)鐘信號(hào)需要單獨(dú)布線的原因。

4.5 寄生參數(shù)提取

由于導(dǎo)線本身存在的電阻，相鄰導(dǎo)線之間的互感,耦合電容在芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生信號(hào)噪聲，串?dāng)_和反射。這些效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題，導(dǎo)致信號(hào)電壓波動(dòng)和變化，如果嚴(yán)重就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真錯(cuò)誤。提取寄生參數(shù)進(jìn)行再次的分析驗(yàn)證，分析信號(hào)完整性問題是非常重要的。工具Synopsys的Star-RCXT

4.6版圖物理驗(yàn)證

這一環(huán)節(jié)是對(duì)完成布線的物理版圖進(jìn)行功能和時(shí)序上的驗(yàn)證，大概包含以下方面： LVS（Layout Vs Schematic）驗(yàn)證：簡(jiǎn)單說，就是版圖與邏輯綜合后的門級(jí)電路圖的對(duì)比驗(yàn)證； DRC（Design Rule Checking）：設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，檢查連線間距，連線寬度等是否滿足工藝要求； ERC（Electrical Rule Checking）：電氣規(guī)則檢查，檢查短路和開路等電氣規(guī)則違例；實(shí)際的后端流程還包括電路功耗分析，以及隨著制造工藝不斷進(jìn)步產(chǎn)生的DFM（可制造性設(shè)計(jì)）問題等。 物理版圖以GDSII的文件格式交給芯片代工廠（稱為Foundry）在晶圓硅片上做出實(shí)際的電路。