芯片设计全流程

一颗芯片的诞生经历了设计、制造和测试（分别对应集成电路产业链的设计业、制造业和封测业），而每一步都包含了复杂的步骤和流程

一、IC设计分类

IC设计 可以粗分为数字IC设计 和射频/模拟IC设计

数字IC设计 又可分为ASIC设计 和FPGA/CPLD设计

此外还有一部分IC设计采用数模混合设计 ，如：SOC设计 和数模混合信号IC设计

关于数字IC中的ASIC与FPGA/CPLD的区别 ：

ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路） ：需制作掩模，设计时间长，硬件不能升级；芯片面积小，性能可以得到较好的优化；适合芯片需求量大的场合：片量用于平摊昂贵的光罩掩模制版费，降低单片生产成本。FPGA/CPLD（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列 / Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件） ：不需要后端设计/制作掩模，可编程；开发门槛较低，设计时间较短，可方便和快速地升级优化硬件；芯片面积大，性能不够优化 ；适合芯片需求量小的场合：不用支付昂贵的光罩掩模制版费。作为数字ASIC设计流程中的必要步骤：ASIC设计中前端设计的FPGA原型验证（HDL功能验证）。

模拟/射频IC： 处理模拟信号，规模远不如数字IC，放大器（ RF放大器、中放、运放、功放）；比较器；振荡器；混频器；模拟PLL；稳压稳流源等

数模混合信号IC： ADC、DAC；某些Driver；电源管理；等等

SOC： System on Chip（系统集成电路，片上系统）

二、IC设计中需要考虑的因素

1、满足功能和性能的要求（性能：速度、功耗）

2、降低芯片成本（包括：设计、制造、测试）

设计：良好的设计流程，就能降低芯片的设计成本。制造：需要优化设计来减少芯片面积，增加每个晶圆上的管芯数，在设计中采用DFM方法来提高芯片制造成品率。测试：在设计中采用可测试性设计（DFT）方法，降低每个芯片的测试时间等。

单芯片成本计算方式：CT = CD/N + CP/(y*n) + 封装测试成本。

第一项表示分摊到每个芯片上的设计费用：CD是设计及掩模制版费（也叫NRE费用）， N是总产量。

第二项表示每个芯片的制造费用：CP是每个晶圆的制造费用，n是每个晶圆上的管芯数，y是晶圆成品率；

3、延长芯片的使用寿命

4、缩短芯片面市时间（Time-to-Market）

三、数字IC设计流程及EDA工具和人员分工

数字IC设计流程：三个阶段（前端设计+功能验证+后端实现）

RTL前端+功能验证（最终得到的是RTL source code） GDSII后端：逻辑综合+后仿真（最终得到的是GDSII文件）

1、第一阶段：前端设计（RTL设计、逻辑设计）

用硬件描述语言HDL（Verilog、VHDL）来描述；描述硬件电路，抽象地表示电路的结构和行为（怎样组成，完成什么功能）；

HDL描述的两种方式：

结构描述：若干部件用信号线互连形成一个实体；行为描述：反映信号的变化、组合和传播行为，特点是信号的延迟和并行性；

HDL的作用：

具有与具体硬件电路无关和与EDA工具平台无关的特性，简化了设计；支持从系统级到门和器件级的电路描述，并具有在不同设计层次上的仿真/验证机制；可作为综合工具的输入，支持电路描述由高层向低层的转换；

数字ASIC设计中采用的典型EDA工具

IC设计流程及典型EDA工具

2、第二阶段：功能验证（前仿真）

检验RTL级的HDL设计是否实现了Spec.需要的功能等；

功能验证流程图

仿真 ：先对设计进行一系列的激励（输入），然后有选择的观察响应（输出）激励与控制 ：设置输入端口，输入激励向量；响应和分析 ：及时监控输出响应信号变化，判断是否正确、合法

常用的仿真EDA工具：VCS (Synopsys), Modelsim(Mentor), NC(Cadence）

3、后端实现（逻辑综合+时序分析+布局布线+版图验证，后仿真）

（1）逻辑综合：

将描述电路的RTL级HDL转换到门级电路网表netlist的过程；根据该电路性能的要求（限制），在一个由制造商提供的包含众多结构、功能、性能均已知的逻辑元件的单元库的支持下，寻找出一个门级逻辑网络结构的最佳实现方案，形成门级电路网表netlist；

逻辑综合示意图

综合EDA工具主要包括三个阶段：转换(Translation)、优化(Optimization)与映射(Mapping)

转换阶段：将RTL用门级逻辑来实现，构成初始的未优化电路。优化与映射：对已有的初始电路进行分析，去掉电路中的冗余单元，并对不满足限制条件的路径进行优化，然后将优化之后的电路映射到由制造商提供的工艺库上

常用的EDA工具：Design Compiler（Synopsys)

（2）时序分析

时序分析一般采用静态时序分析STA（Static Timing Analysis） ，以验证门级逻辑网络结构netlist的时序是否正确

STA工具的基本思想: 在netlist中找到关键路径

关键路径是netlist中信号传播时延的最长路径，决定了芯片的最高工作频率；

STA工具可以分为三个基本步骤：

第一是将netlist看成一个拓扑图 ；第二是时延计算（连线时延 net delay、单元时延 cell delay）；第三是找到关键路径并计算时延，进行判断；

常用的时序验证EDA工具:PrimeTime（Synopsys)

（3）布局布线

将门级电路网表（netlist）实现成版图(layout)

常用的EDA工具：Encounter（Cadence）、Astro (Synopsys)

（4）版图验证

版图验证包括DRC和LVS ；

DRC（Design Rule Check，设计规则检查） ：保证版图的可制造性，保证版图满足芯片制造厂的版图设计规则（Design Rule）；LVS（Layout Versus Schematic，电路规则检查 ） ：证明版图与门级电路网表netlist的一致性；

常用的EDA工具：Mentor的Calibre，Synopsys的Hercules；

（5）后仿真

后仿真是保证版图是否满足时序的要求 ，在后仿真之前首先要进行参数提取 ，提取版图的连线时延信息（RC Extract)，后仿真STA 等；

常用的参数提取EDA工具：Synopsys的StarRCXT

常用的后仿真STA EDA工具：Synopsys的PrimeTime

四、FPGA/CPLD设计流程及EDA工具

FPGA/CPLD设计流程及EDA工具

主要流程有三步：仿真、综合与适配

（1）功能仿真

HDL设计是否实现Spec.功能要求；

采用的EDA工具：Modelsim（Mentor）；

（2）逻辑综合

HDL转化为FPGA门级网表；

采用的EDA工具：Synplify（Synplicity）、Precision（Mentor）；

（3）时序仿真

不同于前面提到的静态时序仿真STA，是动态时序仿真；

采用的工具：Modelsim；

（4）适配

也称结构综合或FPGA布局布线，是将由综合产生的网表文件配置于指定的目标器件(FPGA/CPLD)中，产生最终的下载文件，如JEDEC、Jam格式的文件。

（5）FPGA/CPLD 器件及其开发工具

FPGA/CPLD 器件提供商：Altera和Xilinx；

FPGA/CPLD 开发的EDA工具一般由器件生产厂家提供，但器件厂家只开发集成开发环境IDE和与器件密切相关的适配工具，功能仿真和综合工具实际是由第三方EDA软件开发商公司提供；

Altera －Quartus II （前身为Maxplus II ）

Xilinx －ISE

五、模拟IC设计流程及EDA工具

（1）电路图编辑

常用的工具：Cadence Virtuoso – Schamatic Composer

（2）电路仿真（电路模拟）：俗称 SPICE 仿真

常用的工具： Synopsys HSPICE，Cadence Spectre

（3）版图编辑

常用的工具： Cadence Virtuoso – Layout Editor（LE）

（4）版图验证与后仿真

DRC/ LVS： DRC保证版图满足芯片制造厂的设计规则 / LVS证明版图与网表的一致性；

常用的DRC/LVS EDA工具：Mentor Calibre、 Synopsys Hercules；

参数提取：提取版图的连线时延信息（RC Extract）；常用的参数提取EDA工具：Synopsys StarRCXT；

版图后仿真：SPICE；

模拟典型设计流程及EDA工具：

参考文献

1、IC设计流程，从 Spec.到芯片_(数字IC、模拟IC、FPGA设计的流程及EDA工具) - 知乎 (zhihu.com)

芯片设计的完整流程是什么？

芯片设计完整流程，精简为以下步骤就是

1.芯片规格指标制定，划分功能模块

2.分模块用硬件描述语言verilog/vhdl，进行硬件描述。或者采购已有的IP，加快设计进度

3.验证人员对各个模块功能进行仿真验证，反馈结果給设计人员，反复修改bug直到模块能按照设计指标工作

4.所有模块设计ok之后，各模块集成到一起，进行各个模块的连线集成，进行全芯片功能仿真，然后继续反复改bug。

5.然后设计综合，生成电路，后端仿真，功耗分析等各类分析，反复修bug，修timing，

6.一切都没问题就freeze设计代码，不能再修改设计了，使用目标工艺库进行版图绘制，这步就是你说的晶体管来源了，都是软件自动调用工艺库提供的底层标准单元集成的，就好比是盖房子，调用10000个地板砖铺地，10000块石头做地基，10000个砖头做承重墙和外墙，10000个瓦片做房顶等等，10000根钢筋做房梁，等等，直到把房子搭好

7.版图也就是芯片的物理实现做好之后，做版图drc设计规则检查，版图仿真，寄生参数提取等等。不符合目标的就继续修改版图布局，直到符合设计目标

8.没问题了之后软件生成gdsii工艺加工文件给到工厂，就可以用来制作mask掩膜板，生产芯片了。。

9.数晶体管的话，看软件报告吧，都有详细信息，用了多少晶体管，占用面积多大，用了多少层金属等等

10.到了后面就是晶圆生产，晶圆测试，封装，成品测试，功能测试，性能测试，可靠性测试，一致性测试，老化测试等一系列工作，如果芯片还是有bug，以上流程就要重新来过，复杂的芯片需要大量的人力，时间，还有金钱。。。所以没有钱，没有人，耐不住性子，做不好芯片。。。

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