第3章 ASIC设计流程

集成电路的设计过程： 集成电路的设计过程： 设计创意 + 仿真验证
功能要求 行为设计（ 行为设计（VHDL） ） 行为仿真 是 综合、优化——网表 综合、优化——网表 时序仿真 是 布局布线——版图 版图 布局布线 后仿真 是 Sing off 否
否
否
—设计业 设计业— 设计业
集成电路芯片设计过程框架
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使用Primetime进行版图后的静态时序分析。 在 Design Compiler中进行设计优化（如需要)。 进行版图后带时间信息的门级仿真。 LVS和DRC验证,然后流片。
设计流程过程中， 设计流程过程中， 使用语言： 使用语言：VHDL/verilog HDL 各阶段典型软件介绍： 各阶段典型软件介绍： 输入工具： Summit Summit 公司 仿真工具： VCS, VSS Synopsys 公司 综合器：DesignCompile, BC Compile Synopsys 公司 布局布线工具: Dracula, Diva Cadence 公司 静态时序分析: Prime Time Synopsys 公司 测试： DFT Compile Synopsys 公司
2 顶层设计阶段
顶层设计是一个富有创造性的阶段，在这个 阶段，要定义产品的顶层架构。许多经典的工程 折中问题都需要在这个阶段做出决定。产品的开 销、设计的开销、产品上市时间、资源需求和风 险之间的对比也是顶层结构设计过程中的一部分。 这个阶段中的创造性思维对于产品的成功有着极 大的影响。创造性可以体现在产品的创意、顶层 架构设计创意和设计流程的创意等方面。这个阶 段的工作主要由少数具有结构设计和系统设计才 能的高级工程师参与。
ASIC项目的主要步骡包括： ．预研阶段； ．顶层设计阶段； ．模块级设计阶段； ．模块实现阶段； ．子系统仿真阶段； ．系统仿真，综合和版图设计前门级仿真阶段； ．后端版面设计阶段； ．测试向量准备阶段； ．后端仿真阶段； ．生产签字； ．硅片测试阶段。
在实际的ASIC开发中，不可能像上述的那样能 够一帆风顺地从头至尾走完整个ASIC项目开发流程。 常常在某些阶段遇到困难，并且有的困难在本阶段是 不能解决的。所以下一个阶段往往会在遇到困难时向 上一个阶段产生反馈，比如在做模块级详细设计时发 现模块划分不合理，一个模块怎样设计都不能完成分 配给它的功能，或者是不能到达所要求的性能。这时 就要反馈到上级顶层设计，对系统模块重新进行划分 以解决问题。有时反馈还可能向更上一级发生。 总之，下图所示的流程是一个理想化的流程，在 实际开发中按照这一流程进行开发的同时，要灵活应 用反馈机制，不能认为一个步骤走过了，结果就固定 下来了，要解决问题只能在本阶段。
• 从全局布线后的版图中提取出估算的时间延时 信息。 • 将估算的时间延时信息反标注到Design Compiler 或者 Primetime。 • 在Primetime中进行静态时序分析。 • 在Design Compiler中进行设计优化。 • 设计的详细布线。 • 从详细布线设计中提取出实际时间延时信息。 • 将提取出的实际时间延时信息反标注到Design Compiler或者Primetime中。
流程： 流程：逻辑设计--子功能分解--详细时序框图--分块 逻辑仿真--电路设计(算法的行为级，RTL级描述)-功能仿真--综合(加时序约束和设计库)--电路网表-网表仿真。 输出： 输出： 功能设计(Function Design)：将系统功能的实现方案 设计出来.通常是给出系统的时序图及各子模块之 间的数据流图。 逻辑设计(Logic Design)：这一步是将系统功能结构 化.通常以文本(Verilog HDL 或VHDL),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。 电路设计(Circuit Design)：电路设计是将逻辑设计表 达式转换成电路实现。
该阶段的任务： ．书写功能需求说明； ．讨论几个顶层结构备选项； ．分析这几ห้องสมุดไป่ตู้顶层结构选项——需要考虑技术灵活性 、资源需求及开发周期等； ．完成顶层结构设计说明； ．确定关键的模块(如果需要，这些模块可以尽早开始) ．确定需要使用的第三方IP模块； ．选择开发组成员； ．确定新的工具； ．确定开发路线/流程； ．讨论风险； ．预估硅片面积、输入输出引脚、开销和功耗等。
3 模块级详细设计阶段
在这个阶段，顶层结构将被合理划分成一些小 的模块。各个设计模块之间需要认真细致的合理划 分。确定功能，模块与模块之间的联系等。
ASIC的层次化结构最好用图示方式表示，如果绘图工具 使用合理，这些图可以直接用工具转成结构化的verilog或 VHDL代码。
本阶段的任务： ．将顶层架构分解成更小的模块； ．定义模块的功能和接口； ．回顾上一阶段完成的初始项目开发计划和顶层结 构设计文档； ．风险分析(如果需要，对已有的计划结构进行修改 以减少风险)； ．组织开发小组学习开发规范(代码编写风格，开发 环境的目录结构）； ．检查芯片设计规则(晶片温度，封装，引脚，芯片 供电等)； ．重新估计芯片的门数。
图：ASIC开发流程中各步骤
1 预研阶段
预研阶段是ASIC项目开发的最初始阶段，也是 开发部门和市场部门工作结合得最紧密的一个阶段。 预研阶段的工作就是要分析产品市场的商业机会，给 出初姑的产品结构，并验证产品结构对于商业机会的 把握程度。 该阶段的任务： ．初始的产品系统结构设计； ．产品初始规划和资源需求统计； ．风险和成本分析。
第3章 ASIC设计开发流程
3.1 ASIC设计流程介绍 3.2 ASIC开发流程步骤详细描述
集成电路从设计到制造全过程，涉及到很多 方面的知识和内容，就本章而已，不可能完成全 部内容的学习讲解。我们这是从认识的角度去学 习集成电路的设计和制造流程，当然，最主要的 是学习集成电路的设计流程。 在开始本章课程学习前，我们先来看看集成 电路设计与制造全过程中的几个主要流程框架。
3.2 ASIC开发流程步骤详细描述 开发流程步骤详细描述
在实际工作中，不同的设计团队可能拥有不 同的ASIC设计开发流程，但是这些不同的开发 流程只是在对设计流程的各个阶段命名时有一 些细微的差别。总的来说，ASIC设计的必要步 骤是缺一不可的。一个ASIC芯片的设计必须要 有一个团结合作的团队才能够完成。 首先，我们来看看ASIC项目的主要步骤。 然后，详细描述各步骤的具体内容。
第五阶段：加工与完备 任务： 任务：联系生产加工，准备芯片的样片测试和应用 准备。 流程： 流程：工艺设计与生产--芯片测试--芯片应用。 输出： 输出：用户使用说明书。 上面我们描述了集成电路设计的五个阶段，每 一阶段有不同的任务，有具体的工作流程，也产生 对应的输出结果。 实际工作中，主要的设计具体任务内容可以用 下面的流程图来说明。
集成电路设计与制造的主要流程框架
系 统 需 求
设计
掩膜版
3.1 ASIC设计流程介绍 设计流程介绍
下面我们来介绍ASIC设计的基本流程。 设计过程可分五个阶段： 第一阶段：项目策划 第二阶段：总体设计 第三阶段：详细设计和可测性设计 第四阶段：时序验证与版图设计 第五阶段：加工与完备
第一阶段：项目策划 任务： 任务：形成项目任务书 (项目进度，周期管理等)。流 流 程：市场需求--调研--可行性研究--论证--决策--任务 书。 第二阶段：总体设计 任务： 任务：确定设计对象和目标，进一步明确芯片功能、 内外部性能要求，参数指标，论证各种可行方案，选 择最佳方式，加工厂家，工艺水准。 流程： 流程：需求分析--系统方案--系统设计--系统仿真。 输出： 输出：系统规范化说明(System Specification)：包括系 统功能,性能,物理尺寸,设计模式,制造工艺,设计周期, 设计费用等等.
输出： 输出： 物理设计(Physical Design or Layout Design)：物理 设计或称版图设计是VLSI设计中最费时的一步. 它要将电路设计中的每一个元器件包括晶体管, 电阻,电容,电感等以及它们之间的连线转换成集 成电路制造所需要的版图信息. 设计验证(Design Verification)：在版图设计完成以 后,非常重要的一步工作是版图验证.主要包括: 设计规则检查(DRC),版图的电路提取(NE),电学 规检查(ERC)和寄生参数提取(PE)。
• 使用 Design Compiler自带静态时序分析器,进 行模块级静态时序分析。 • 使用 Formality工具,进行 RTL级和综合后门级 网表的 Formal Verification。 • 版图布局布线之前,使用PrimeTime工具进行整 个设计的静态时序分析。 • 将时序约束前标注到版图生成工具。 • 时序驱动的单元布局,时钟树插入和全局布线。 • 将时钟树插入到DC的原始设计中。 • 使用 Formality,对综合后网表和插入时钟树网 表进行 Formal Verification。
该阶段输出： ．项目的时间和资源需求估计； ．晶片面积的估计； ．产品研发预算估计； ．初始的产品系统结构设计； ．风险分析； ．设立产品的目标、可行性和里程碑； ．设计路线和开发工具的选定。
可行性分析是预研阶段最重要的一个环节， 它是对该项目的利润模型、开发周期和风险性的 分析。
如果设立ASIC开发项目的目的是替代目前的一个成功 产品，那么降低成本和增强功能是项日的最主要需求。如 果设立ASIC开发项日的目的是去开拓新的市场或者替代目 前尚未成功的产品，开发时间将是项目中优先级最高的需 求。由于项目的开发策略会对整个项目的结构设计、开发 等产生巨大的影响，项目的规划者需要根据项目的具体情 况在预研阶段开始之前对项目的这些驱动因素进行归纳分 析，以制定项目的开发策略。
项目经理的任务： ．完成项目计划； ．确定资源(项目组、设备和工具)； ．组织培训课程。 该阶段输出： ．功能需求说明； ．顶层结构设计说明； ．初始的开发计划和资源需求。
这个阶段需要递交的文档： 结构设计文档：在这个文档中，设计者需要清楚 地描述电路板、软件和ASIC的划分。通常ASIC作 为系统中的一个重要部分，它的功能需要在顶层结 构设计说明中详细的描述。 ASIC开发计划：这个计划必须经过项目管理人员 的验收通过。同时，还需要完成设计线路描述文档。 这个文档要定义项目开发中所需要的工具、技术和 方法。
第三阶段： 详细设计和可测性设计 任务： 任务：分功能确定各个模块算法的实现结构，确 定设计所需的资源按芯片的要求，速度，功耗， 带宽，增益，噪声，负载能力，工作温度等和时 间，成本，效益要求选择加工厂家，实现方式， （全定制，半定制，ASIC，FPGA等）；可测性 设计与时序分析可在详细设计中一次综合获得， 可测性设计常依据需要采用FullScan，PartScan等 方式，可测性设计包括带扫描链的逻辑单元， ATPG，以及边界扫描电路BoundScan，测试 Memory的BIST。
典型ASIC设计具有下列相当复杂的流程，实际中 包含如下多项基本内容： • 结构及电气规定。 • RTL级代码设计和仿真测试平台文件准备。 • 为具有存储单元的模块插入BIST(Design For test 设计)。 • 为了验证设计功能,进行完全设计的动态仿真。 • 设计环境设置。包括使用的设计库和其他一些 环境变量。使用 Design Compiler工具,约束和 综合设计,并且加入扫描链（或者JTAG）。
第四阶段：时序验证与版图设计 任务：静态时序分析从整个电路中提取出所有 任务 时序路径，然后通过计算信号沿在路径上的延 迟传播，找出违背时序约束的错误(主要是 SetupTime 和 HoldTime),与激励无关。在深亚 微米工艺中，因为电路连线延迟大于单元延迟， 通常预布局布线反复较多，要多次调整布局方 案，对布局布线有指导意义。 流程： 流程：预布局布线(SDF文件)--网表仿真(带延时 文件)--静态时序分析--布局布线--参数提取-SDF文件--后仿真--静态时序分析--测试向量生 成。