如何从零开始设计一颗芯片？

美好的一天

在各方助力下，集成电路成了时代热点，有大量文章在写芯片设计之复杂之困难，本文从EDA使用角度捋一遍芯片设计流程。

01 开始

在老驴画出第一副图之后，发现熟知的只有数字电路部分的一小段，对系统、软件及上层应用完全无知，只能归类为Others。

于消费者而言，一个可以使用的系统，有数字集成电路部分、模拟集成电路部分、系统软件及上层应用部分。

关于各个部分的功能，借用IC咖啡胡总的精品图可以一目了然。外部世界是一个模拟世界，故所有需要与外部世界接口的部分都需要模拟集成电路，模拟集成电路将采集到的外部信息转化成0/1交给数字集成电路运算处理，再将数字集成电路运算处理完的信号转化成模拟信号输出；而这一切的运算过程都是在系统软件的号令跟监控下完成的，故曰：芯片是骨架，系统软件是灵魂。

数字集成电路设计实现流程是个相当漫长的过程，拿手机基带芯片为例，对于3G, 4G, 5G, 工程师最初见到的是无数页的协议文档。

架构师要根据协议来确定：协议的哪些部分可以用软件实现，哪些部分需要用硬件实现。

算法工程师要深入研读协议的每一部分，并选定实现所用算法。

芯片设计工程师，需要将算法工程师选定的算法，描述成RTL。

芯片验证工程师，需要根据算法工程师选定的算法设计测试向量，对RTL做功能、效能验证。

数字实现工程师，需要根据算法工程师和设计工程师设定的目标PPA 将RTL 揉搓成GDS。

芯片生产由于太过复杂，完全交由代工厂完成，封装亦是；对于测试，大部分公司都是租借第三方测试基台由自己的测试工程师完成，只有少部分土豪公司才会有自己的测试基台。

一颗芯片，性能的60%取决于架构师，在国内好的架构师不超过三位数，极好的架构师不超过两位数，架构师是芯片灵魂的缔造者，是食物链的最顶端，是牛逼闪闪的存在。

就驴浅显认知，除了office似乎没有EDA工具用于架构设计；架构敲定了之后，大量的算法工程师跟上，对于协议规定的每个点，都要选择适当的算法，用C/C++做精确模拟仿真，要确保功能、精度、效率、吞吐量等指标，Matlab跟GCC应该是他们使用最多的工具。

设计工程师根据算法工程师经过反复模拟仿真选择的算法，将抽象描述或定点C转换成RTL，在设计过程中需要反复仿真、综合，以确定设计功能的正确性，跟设计能达到的PPA。

除了RTL, 设计工程师还需要根据设计目标编写SDC 和power intent, 并做对应的质量检查。设计工程师需要使用大量EDA工具：

• 编辑器：VIM，emac；
• Lint：RTL质量检查，Spyglass，Jasper；
• CDC：SDC质量检查，Spyglass，Conformal，GCA;
• CPF/1801：power intent质量检查，CLP;
• Power：RTL级功耗分析，Joules，PA；
• 仿真器：C，S，M三家都有各自的仿真工具;
• 综合：Genus，DC；
  
  

老驴以为，从集成开始，由脑力劳作进入体力劳作，对比盖房子，就是从设计师到泥瓦工。集成工程师，要把芯片所用的所有模块相互连接起来，指导思想是架构工程师确定的，各个IP如何连接是各IP的owner确定的，集成工程师只要保证不多连、不少连、不乱连即可，据说当前也没有什么有效的集成工具，常用到的是emac。

02 验证

接着捋，实际项目中验证跟综合从RTL coding开始就会交叉进行，反复迭代。

验证在数字芯片设计中占很大比例，近些年在设计复杂度的推动下验证方法学跟验证手段在不断更新，从OVM到UVM，从Dynamic verification到Static verification, 从FPGAE到mulator，所有革新目的可概括为：快速、完备、易调试。

验证涉及到许多方面，验证工程师一方面要对相关协议算法有足够了解，根据架构、算法工程师设定的目标设计仿真向量；另一方面要对设计本身足够了解，以提高验证效率，缩短验证时间。验证工程师需要掌握许多技术，需要使用许多工具。

• 语言：各种脚本语言之外，C/C++, SystemVerilog, Verilog；
• 协议：各种接口协议，各种通信协议，各种总线协议；
• 工具：动态仿真工具，静态仿真工具，FPGA, Emulator；
  
  

数字验证领域，依旧是C, S, M 三家几乎全霸，老驴已不做验证多年，对S, M 两家验证相关工具除了VCS，Verdi，Modelsim其他几乎无知，此处拿C 家验证全套为例。

• Static Verification: Jasper Gold 是C 家新近推出的静态验证工具，驴所理解的静态验证是基于断言的验证方法学，所谓静态即不需要输入测试激励，验证过程是纯数学行为。
• Dynamic Verification: Xcelium 是C 家的动态验证工具，驴所理解的动态验证是基于UVM 的验证方法学，通过输入测试激励，监控仿真结果，分析覆盖率完成功能验证。
• Emulator: 硬件仿真加速器，粗暴理解：有debug 功能的集成了丰富接口的巨型可编程阵列；特点：超高速验证、支持系统软件调试。帕拉丁是C 家在验证领域的明星产品，是行业翘楚，据说常有钦差莅临硅厂在帕拉丁前驻足良久，赏其外形之美，赞其功能之强。
• Verification IP: 验证需要各种验证模型，各种IP，各种总线，各种高速接口。
  
  

FPGA的一大应用是验证，故提一嘴。在世上曾经有两家牛逼闪闪的FPGA 公司，一家是Altera，另一家是Xilinx，后来Altera像Mentor一样找了个大爷把自己卖了。

FPGA内除了可编程逻辑之外，通常还会集成各种IP，如CPU，DSP，DDR controller等。每家FPGA都有各种配置，根据集成的IP，可编程逻辑的规模，可达到的速度，价格相差极大。

相对于ASIC，FPGA也有一套对应的EDA工具，用于综合、布局布线、烧录、调试。如：Synplify，Quartus。

国内现状：Static Verification，Dynamic Verification，Emulator几乎空白；国内有一些FPGA公司，在中低端领域已经做得非常不错，但是高端领域几乎空白。任重而道远，不矫饰，脚踏实地干！

03 实现

接着上面说的我们继续捋数字芯片设计实现流程，今天进入实现阶段，对于这一段驴只熟悉其中的综合、形式验证、低功耗验证、RTL功耗分析、STA，其他部分都是一知半解，故无深究，只捋流程。

整个实现阶段，可以概括成玩EDA工具及基于EDA工具的方法学，EDA工具无疑是实现阶段的主导，一颗芯片做得好不好，在实现阶段之前基本取决于工程师的能力强不强，而在实现阶段之后基本取决于EDA工具玩得好不好。整个设计实现流程，涉及到许多工具，此处列出四家主要参与者，空白部分不代表没有，只代表驴不知。

数字电路实现流程，从大方向上可以分成两部分：优化跟验证。

优化，会更改逻辑描述方式，会更改逻辑结构，会插入新逻辑，这所有的动作都存在引入错误的风险，故需要验证工具予以监控。

验证，要确保逻辑优化过程不改变逻辑功能，要确保时序满足既定目标需求，要确保无物理规则违规，要确保信号完整性，这所有的验证都有一套对应的通过规则，但凡有某一项不达标，就不能拿去生产制造。

高级综合：所谓的高级综合就是将C/ C++/ System C描述的设计意图，“翻译”成用Verilog / System Verilog描述的RTL，多应用于运算逻辑主导的设计，除了三巨头，市面上有许多小公司在这一个点上也做得不错。

综合：在实现流程中，就背后算法而言，综合一定是最难最复杂的。综合首先将Verilog / System Verilog / VHDL描述的逻辑转化成由Gtech描述的逻辑，再对Gtech逻辑做优化，优化后再将Gtech描述映射到对应工艺库。

其中优化过程涉及到多个方面，近年来EDA工具的发展方向基本可以概括为：容量，速度，相关性。

容量：指可处理的设计规模；速度：指EDA工具的优化速度；相关性：指跟布局布线之间的相关性。主流工具：Genus, Design Compiler。在这一点上，几乎再难有后起之秀，除非有朝一日，整个数字电路的设计方法学发生颠覆性的革新。

DFT：插入压缩解压缩逻辑，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，故障诊断，DFT工程师像老中医插入、观察、诊断。当今市面上DFT工程师紧缺，贵！主流工具：Tessenst，Modus，TetraMax。

ECO：但凡有新的东西引入，就可能引入bug，早期发现bug可以重新走一遍实现流程，如果在后期发现bug重走一遍流程的代价太大，通常的做法就是ECO。对于简单的bug修复手工ECO就可以，但是对于复杂的bug修复，手工ECO有心无力，故需要有EDA工具来完成相应的工作。当前世面上最好用的自动ECO工具非Conformal ECO莫属。最近也有一些startup做对应的点工具，整个思路跟CECO类似，但是没有自己的综合工具优化ECO后的补丁，就很难得到一个好的结果。

布局布线：在进入纳米时代之前，布局布线并没那么复杂，从90nm开始到如今的3nm，布局布线的复杂度呈指数增长，从floorplan到placement到CTS到Routing每一步涉及到的算法在近年都做了颠覆性的革新，以Innovus的问世为起点，布局布线进入到了一个新纪元。在AI的浪潮下C跟S都一头扎了进去，要做世上最智能的布局布线工具，也许有朝一日可以像跟小度对话一样：

• 硅农：Innovus请解析A文件，按设定目标做个功耗最优的结果；
• Innovus: 已读取目标文件，根据设计数据分析，本设计大概需要250G内存，在5小时内完成，请选择任务完成后是否自动进入后续程序......
  
  

RTL 功耗分析：这一步可以放在实现端做也可以放在实现之前做。分析过程相对简单：读入RTL，SDC，仿真激励，通过计算分析平均功耗跟瞬时功耗，找出设计中的“功耗缺陷”，指导Designer进行功耗优化。主流工具有：Joules，Spyglass，PowerArtist。

形式验证：在整个实现流程中，形式验证充当逻辑功能等效性的监察官，任何一步优化结束后都需要过形式验证这一关，以确保在优化过程中，逻辑功能未被改变。主流工具：LEC，Formality。随着设计规模的暴增跟优化技术的飞速发展，形式验证的难度逐渐增加，占用的时间逐渐增多，SmartLEC是针对复杂设计的先行者。

低功耗验证：针对低功耗设计，低功耗验证要验证CPF / UPF / 1801的语法语义跟描述意图，要验证低功耗单元未多插，未漏插，未乱插，要验证电源跟地的链接符合设计意图，要验证电特性的完整性。主流工具：CLP。

STA：Timing signoff，STA看似庞杂，其实并不复杂，相比于优化过程要简单得多，抛开Timing ECO，STA所有的动作都只是计算而不是求解，不恰当的比方：STA就好比幼儿园的算术题，加数跟被加数都在那里，只要求个和即可；而优化过程是求最优解或近似最优解的过程，要难得多。近年来STA EDA工具主要在几个方向着力：如何模拟制造过程的随机工艺偏差，如何处理超大规模设计，如何模拟新工艺结点电特性对时序的影响。

Power Signoff：验证设计的电源网络是否足够强悍，分析，发现，修正：IR-drop跟EM。主流工具：Voltus，RedHawk。

物理验证：验证所有的管子、过孔、走线是否满足Foundry制定的规则，是个体力活，有点像盖好房子之后的垃圾清理，主流工具：Calibre，PVS，ICV。

整个数字实现流程中涉及到诸多工具，三巨头在领跑，后面基本没有跟随者，偶尔有某个点工具做得好的后起之秀，大多都会被三巨头吃了，这也算是行业套路。就市值看，三巨头加起来来也不及互联网公司一条腿粗，然而在整个芯片设计实现过程中却不可或缺，吾国要强大芯片产业，必须要在EDA这一块加大投入，方能离脱离被掐着脖子走更进一步。

04 结语

接着继续捋，写最后剩下的一节。老驴从未真正接触过生产制造之后的部分，从生产制造到封装测试到系统验证到量产出货，全是老驴的盲区，但为了故事的完整性，编个结尾。

设计实现可比作芯片的『受精过程』，通过了各种验证的GDS好比健康的受精卵，交由代工厂『孕育』，好比孕期出不得任何差池一样，生产制造过程也出不得半点差池。进入nm 时代之后生产制造过程异常复杂，封装过程也异常复杂，都是寡头游戏。驴所知的生产封装过程涉及到的EDA工具有DFM，Package Design，OPC。

近年来，封装技术也是一路高歌猛进，在制造进入到『后摩尔时代』后，封装进入『3D-IC』 时代，也许有一天人类可以造出三体中的智子。

拿到封装好的芯片之后，还需要进行Bringup，post Silicon Validation，Hardware system test，Maufacturing Test，然后才能出货装入不同应用系统，造福人类。这是一个十分漫长的过程。

生产制造封装测试过程中除了需要众多EDA工具，还需要高精尖的生产封装设备、测试设备及各种材料，如：硅晶圆、靶材、抛光材料、光刻胶、电子特种气体、湿电子化学品；目前我国在所涉及的各个方面都有代差，EDA在美帝手里，生产封装测试设备在欧巴罗手里，材料在东瀛手里，伙计们，路漫漫其修远兮！

再回到下图，数字电路设计实现部分之外，还有模拟电路设计实现生产制造封装测试，还有数模混合电路设计生产制造封装测试，还有FPGA，PCB，SoftWare，OS，APP，虽然都属于集成电路的广阔领域，但相互之间隔着岂止一座山，老驴编也编不来了，希望有相应领域的同仁捋一捋，卖给老驴来宣传。