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[导读]芯片设计包含很多流程,每个流程的顺利实现才能保证芯片设计的正确性。因此,对芯片设计流程应当具备一定了解。本文将讲解芯片设计流程中的数字集成电路设计,希望大家借由数字集成电路设计的5大步骤对芯片设计有更加深入的认识。

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数字集成电路设计多采用自顶向下设计方式,首先是系统的行为级设计,确定芯片的功能、性能,允许的芯片面积和成本等。然后是进行结构设计,根据芯片的特点,将其划分成接口清晰、相互关系明确的、功能相对独立的子模块。接着进行逻辑设计,这一步尽量采用规则结构来实现,或者利用已经验证过的逻辑单元。接下来是电路级设计,得到可靠的电路图。最后就是将电路图转换成版图。

1 系统功能描述

系统功能描述主要确定集成电路规格并做好总体设计方案。其中,系统规范主要是针对整个电子系统性能的描述,是系统最高层次的抽象描述,包括系统功能、性能、物理尺寸、设计模式、制造工艺等。功能设计主要确定系统功能的实现方案,通常是给出系统的时序图及各子模块之间的数据流图,附上简单的文字,这样能更清晰的描述设计功能和内部结构。

为了使整个设计更易理解,一般在描述设计可见功能之后,对系统内部各个模块及其相互连接关系也进行描述。描述从系统应用角度看,需要说明该设计适用场合、功能特性、在输入和输出之间的数据变换。

2 逻辑设计

逻辑设计是将系统功能结构化。通常以文本、原理图、逻辑图表示设计结果,有时也采用布尔表达式来表示设计结果。依据设计规范完成模块寄存器传输级代码编写,并保证代码的可综合、清晰简洁、可读性,有时还要考虑模块的复用性。

随后进行功能仿真和FPGA 验证,反复调试得到可靠的源代码。其中,还要对逻辑设计的RTL 级电路设计进行性能及功能分析,主要包括代码风格、代码覆盖率、性能、可测性和功耗评估等。

3 电路设计

电路设计大体分为逻辑实现、版图前验证和版图前数据交付三个阶段。逻辑实现将逻辑设计表达式转换成电路实现,即用芯片制造商提供的标准电路单元加上时间约束等条件,使用尽可能少的元件和连线完成从RTL描述到综合库单元之间的映射,得到一个在面积和时序上满足需求的门级网表。

时钟树插入也将在逻辑实现中完成,插入时钟树后,再进行逻辑综合、功耗优化和扫描链插入后得到门级网表,并通过延迟计算得到相关标准延时格式(SDF)文件。版图前验证利用逻辑实现得到的相关门级网表和SDF文件,进行门级逻辑仿真和测试综合,包括静态时序仿真、动态仿真、功耗分析、自动测试图形生成等,经过版图前验证得到的电路设计门级网表必须要满足一定的时序/功耗约束要求。

4 物理设计

物理设计就是版图设计。将综合得到的网表和时序约束文件导入EDA软件中,进行布局布线,生成符合设计要求的Layout,在完成了全部的Layout之后,利用相关提取软件进行寄生参数提取,并重新反馈到物理实现的布局布线软件中,进行时序计算和重新优化,直得到满意的时序结果为止。

这时可以生产包含精确寄生信息的SDF文件,与布局布线后生成的网表一道进行时序分析。时序分析通过后,就可以导出布局布线后的GDS格式的版图数据,供后续流程使用。

5 设计验证

在版图设计完成之后,非常重要的一步工作就是版图验证。版图验证保证了芯片依照其设计功能准确无误地实现,主要包括设计规则检查(DRC)、电路版图对照检查(LVS)、版图的电路提取(NE)、电学规则检查(ERC)和寄生参数提取(PE)。

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