芯片设计流程详解

芯片分为数字芯片、模拟芯片、数模混合芯片等多种类别。不同类别的设计流程也存在一些差异。

接下来，我们就以数字芯片为例，详细看看芯片到底是如何设计出来的。

█ 芯片设计的主要流程

芯片的设计，总体分为规格定义、系统设计、前端设计（Front-End Design） 和后端设计（Back-End Design）四个阶段。

网上有些资料为了简单，也会将规格定义和系统设计也归入前端设计。

上篇文章小枣君给大家说过，现在主流的芯片设计思路是自顶向下（Top-Down），也就是“先宏观，再微观”。

简单来说，就是先做芯片整体设计（功能、接口、模块），再做各个模块的设计。做模块设计的时候，先设计逻辑原理（写代码），然后再用EDA工具转化为逻辑电路图（网表），最后再设计物理电路图（版图）。

整个过程，穿插着大量的“设计-验证（仿真）-设计-验证（仿真）”循环。需要确保每一步都准确无误，才会进入下一步。

四大阶段中，前端设计，就是逻辑设计。主要是将芯片的功能需求转化为可实现的电路逻辑，确保功能正确性，不考虑物理实现细节。

后端设计，则是物理设计，专注于物理实现，将前端的设计转化为实际的版图。这个阶段需要脚踏实地，考虑制造工艺约束、信号完整性、功耗管理等实际问题，解决物理实现的工艺挑战。

前端设计和后端设计的各个子阶段如下图所示：

接下来，我们分别进行介绍。

█ 规格定义

芯片设计的第一步，是搞明白自己到底要做一款什么样的芯片。

这不是领导拍脑袋决定的，而是需要芯片设计团队和客户（甲方）以及利益相关方进行充分沟通，了解具体设计需求之后确定的。

需求包括：到底要实现什么功能，用于什么环境，算力、成本、功耗大概是多少，需要提供哪些接口，需要遵循什么安全等级，等等。

所有的需求会转化为芯片的基本参数，最终以Spec（芯片规格说明书）文件的形式进行记录。芯片设计的基本要求，就此确定。

█ 系统设计

接下来，就要由架构工程师出马了。

架构工程师要根据规格Spec，设计具体的实现方案。包括但不限于：整个芯片的架构、业务模块、供电、接口、时序、性能指标、面积和功率约束等。

芯片的架构主要由芯片的类别和功能所决定。

如果芯片主要用于通用计算和数据处理，冯・诺依曼架构可能是一个合适的选择。如果侧重于高速的数据处理和实时性要求高的应用，如数字信号处理或一些特定的嵌入式系统，哈佛架构可能更具优势。

对于复杂的芯片设计，还可能采用多核架构或异构集成架构（混搭）。

芯片的整体布局（示例）

选定架构之后，架构师还要在细节上进行优化和创新。例如调整各个功能模块之间的连接方式、优化数据通路以减少延迟，或者采用新的计算模式，等等。

架构师还要确定哪些功能可以用软件实现，哪些部分需要用硬件实现。上篇小枣君介绍过IP核，哪些部分要采购IP核，哪些部分自己做，也是由架构师决定的。

█ 前端设计（逻辑设计）

好了，开始进入前端设计部分了。我们保持耐心，一步一步来看。

· HDL编码

首先，是进行HDL（Hardware Description Language，硬件描述语言）编码。

架构设计方案完成后，芯片设计工程师将根据方案，针对各模块进行具体的电路设计。他会使用专门的硬件描述语言（Verilog或VHDL），对具体的电路实现进行RTL（Register Transfer Level，寄存器传输级）级别的代码描述。

简单来说，就是用代码来表述芯片的逻辑功能和数据传输。

Verilog作为一种常用的硬件描述语言，能够对电路（系统）进行多层次描述，包括系统级、算法级、寄存器传输级（RTL级）、门级和开关级。在数字IC设计流程中，RTL级描述最为关键和常用。因此，Verilog代码也常被称作RTL代码。

Verilog代码范例（32位加法器）

需要注意的是，HDL编码需要结合晶圆厂提供的库（libaray）和器件（device）等基础资源来设计。有些芯片设计工程师也会基于晶圆厂提供的资源，进行底层优化设计。

· 仿真验证

HDL编码完成之后，就要开始第一波验证（Verification）了。

前面我说过，芯片设计几乎每一步都要进行验证或仿真，就是为了确保不出错，因为出错的代价实在太大。

这一步的仿真验证，主要包括电路逻辑功能方面的验证，也就是证明设计的功能是否符合设计规格中的定义，是否存在逻辑实现错误。

如果发现错误，就需要返回上一步，进行修改，甚至要返回方案设计阶段进行修改。修改之后，再重新进行验证。

验证方法包括：（借助工具）通过在搭建的验证环境中输入激励（就是加输入信号），然后看检测输出波形是否和预期一样，以此来进行判断。

验证仿真的工具主要包括VCS、Qustasim等EDA工具（进行编译和仿真），以及Verdi等工具（进行debug）。

需要注意的是，这个阶段的仿真，也被称为“前仿真”。待会我们还有一个“后仿真”。

“前仿真”是在理想状态下进行的。它基于理想化的抽象模型，忽略物理延迟和布线细节，专注于功能正确性。

· 逻辑综合

接下来，验证工程师要使用一些EDA工具，将RTL代码翻译成门级网表（Gate level Netlist），也就是实际的逻辑门电路（也包含了逻辑结构和连接关系，也是后端设计的关键输入）。

门级网表的样例

这个步骤就是逻辑综合（Synthesis），有时候直接简称“综合”。

逻辑综合主要包括翻译、优化、映射步骤。

翻译：先将Verilog/VHDL代码转换为工艺无关的、初级的、未优化的通用门级电路。

优化：逻辑综合需要设定约束条件，也就是希望逻辑综合出来的电路在面积、时序、时延等（PPA）目标参数上达到的标准。优化，是根据约束条件和工艺库（由晶圆厂提供）参数，进行逻辑结构调整，去掉冗余单元，以此满足要求。

映射：最终，将门级逻辑电路映射到的工艺库上。

需要注意的是，不同晶圆厂的工艺库，门电路基本标准单元（standard cell）的面积、时序参数是不一样的。所以，选用的库不一样，综合出来的电路在面积、时序上就不一样。 

· 静态时序分析

静态时序分析（Static Timing Analysis，STA），也属于验证的范畴，主要是在时序上对电路进行验证。

具体来说，是在不提供激励的情况下，验证设计时序特性，检查电路是否存在建立时间（setuptime）和保持时间（holdtime）的违例（violation）。

这句话有点难理解，要搞懂它，就要先搞懂时序（timing）。

前面我们多次提到时序。芯片时序是集成电路设计中确保信号传输与时钟同步的关键技术， 非常重要。

电子设备由时钟信号驱动，如果时序存在问题，各个模块之间的工作节奏就会错乱，影响各个元件以及整个芯片的工作频率，进而影响整体性能。

在数字电路中，一个寄存器如果出现前面说的违例，就无法正确采样数据和输出数据。所以，以寄存器为基础的数字芯片功能，就会出现问题。

静态时序分析（STA）的作用，主要体现在以下几个方面：

首先，它能帮助我们确定芯片的最高工作频率。

通过详细的时序分析，工程师可以更好地控制工程的各个环节，从而减少延迟，尽可能地提升芯片的工作频率。

芯片的最高工作频率由网表（netlist）的关键路径决定。关键路径是网表中信号传播时延的最长路径。

其次，静态时序分析也是检查时序约束是否满足的重要手段。

在时序分析的过程中，我们可以查看目标模块是否满足预设的约束条件。如果不满足，分析结果将帮助我们精确地定位到问题点，并给出详细的改进建议。

最后，静态时序分析还能用于分析时钟质量。

时钟信号存在抖动、偏移和占空比失真等缺陷。通过时序分析，我们可以有效地验证这些缺陷对目标模块性能的影响。

STA工具，包括Synopsys的PT（Prime Time）工具等。

它可以分为三个基本步骤：

1、将netlist看成一个拓扑图；

2、进行时延计算（连线时延net delay、单元时延cell delay）；

3、找到关键路径，并计算时延，进行判断。

· 形式验证

这一步也是验证，是从功能上对逻辑综合后的网表（netlist）进行验证。

形式验证主要通过数学手段来完成，不考虑工艺因素，无需激励或时序检查即可进行。

在形式验证中，等效性检查（也叫等价性检查）是一种常用方法。

它通过将当前设计与已知的黄金设计（功能验证后的HDL设计）进行对比，来确认设计的功能等效性，确保逻辑综合过程中没有改变原先HDL描述的电路功能。

覆盖率，是评估验证充分性的一个关键指标。它主要分为两大类：代码覆盖率和功能覆盖率。

代码覆盖率，旨在检查RTL代码是否冗余，并确保设计要点得到全面遍历。

功能覆盖率，专注于检查自定义container（容器）中的功能是否被充分测试。

在前端设计的最后阶段，需要完成代码覆盖率的充分性审查。对于未达到100%覆盖率的情况，需要给出合理解释，以确保芯片功能不受影响。

以上验证工作都完成后，前端设计（逻辑设计）就基本完成了。

几个主要阶段的输入和输出，如下表所示：

█ 后端设计（物理设计）

前端设计的结果，是得到了芯片的网表（netlist）电路。

不同的EDA工具，生成的网表文件的文件格式也不太一样。例如*.v（Design Compiler，Synopsys公司）、*.vh（PKS，Cadence公司）和*.edf（Synplify，Synplicity公司）。

后端设计，是要基于网表，制作出物理版图。

具体来说，是先基于网表，在给定大小的硅片面积内，对电路进行布局规划（Floor Plan）、布局（Place）和布线（Route）。

然后，再对物理版图进行功能和时序上的各种验证（DRC、LVS、ERC等）。

最后，生成用于制造光掩模版和流片的GDS（Geometry Data Standard）版图。

整个过程有点像制作PCB电路板。当然，复杂度要高出无数倍。

接下来，我们来看每个步骤：

· 可测性设计

可测性设计（Design for Test，DFT），是为了方便后续对芯片进行测试，提前进行的自带测试电路设计。

现在的芯片都很复杂，出现问题的话，往往很难查找原因。可测试性设计就是为将来找问题进行提前考虑。

可测性设计的常见方法，是在设计中插入扫描链、内建自测试（BIST）、边界扫描单元等特殊架构，将非扫描单元（如寄存器）变为扫描单元，提升电路内部信号控制与观测能力。

DFT示例图

在测试时，在Scan-In阶段加载激励信号，在Capture阶段捕获组合逻辑响应，最终通过Scan-Out移出比对，就能得出结果。

可测性设计技术的基础评价指标包括可控性和可观测性。具体情况可以另行搜索网上资料，限于篇幅就不多介绍了。

注意，在有些文献里，也会将可测性设计归为前端设计的范畴。

· 物理布局

可测性设计之后，就要开始进行物理布局（layout）了。

物理布局是芯片设计流程中从逻辑视图向物理视图的转换过程。

它需要考虑到元件的尺寸、形状、相互之间的间距，以及连线的长度和宽度等各种复杂因素。布局的好坏，直接影响到芯片的信号抗干扰能力、寄生电容和电感的大小，决定了芯片的整体性能和可靠性。

好的物理布局，是要实现空间利用率、总线长度、时序的完美平衡。也就是说，空间利用率要尽量高，总线要尽量短，时序要尽量收敛。

物理布局的主要步骤包括：布局规划、布局、时钟树综合、布线等。我们逐一来看：

· 物理布局之 布局规划

布局规划（Floor Plan）， 就是规划放置芯片的宏单元模块，在总体上确定核心区域（Core Area）、电源网络和关键模块位置 ，如IP模块、RAM、I/O引脚等。

这个步骤没有标准的最佳方案，但又有很多细节需要考量。

设计者需要根据电路的功能和性能要求，以及硅片的尺寸和工艺约束，来安排电路元件的位置。例如，设计者可能需要将高速或者热敏感的电路部分放在芯片的中心位置，以便获得更好的性能和热分布。

在布局规划的过程中，同样要紧密结合晶圆厂的资料来。例如，晶圆厂提供的PDK（Process Design Kit，工艺设计套件）。

PDK包含了工艺相关的各种参数和模型，比如晶体管尺寸、层间距、金属氧化层厚度等，就连线宽、线距等设计规则都与之相关。如果脱离PDK，你设计的东西，人家根本生产不了，就是白搭。

· 物理布局之 布局

布局（Place），就是在规划的区域内，精准放置所有标准单元、I/O pad、宏单元，实现整个电路逻辑。

布局时，需要平衡芯片利用率（70%~90%）、时序收敛和布线拥塞风险。

· 物理布局之 时钟树综合

时钟树综合（Clock Tree Synthesis，CTS），简单说就是时钟的布线，构建时钟网络。

前面说了，时钟信号在数字芯片中起到了全局指挥的作用。我们在布放时钟线的时候，需要对称式地连接到各个寄存器单元，从而使时钟从同一个时钟源到达各个寄存器时，时钟延迟差异最小。（时钟偏差通常需控制在时钟周期的10%以内。）

· 物理布局之 布线

这里的布线（Routing），就是普通信号布线了，包括各种标准单元（基本逻辑门电路）之间的走线。

在满足工艺规则和布线层数限制、线宽、线间距限制和各线网可靠绝缘的电性能约束条件下，需要对信号线进行合理规划，将各单元和I/O pad（输入/输出焊盘管脚）连接起来。

布线工具界面

设计者需要根据信号的频率和时序要求，以及工艺的布线规则，来安排信号线的路径和层次。例如，设计者可能需要使用多层金属线来实现复杂的信号交叉，或者使用特殊的布线技术来降低信号的传播延迟。

经过反复的检测与优化，最终会呈现出如下的电路图。

或者是这样：

这就是版图，包括了平面几何形状、文本标签等与物理布局相关的信息，通常是一个图形数据库系统（graphic data system，GDSⅡ）文件。

图中，我们可以清晰地看到蓝、红、绿、黄等不同色彩的区域，这些色彩区域分别对应着不同的光掩模版（后面会说，芯片制造篇也提到过）。

· 寄生参数提取和信号完整性分析

物理布局完成之后，又要开始进行验证了。

导线本身的电阻、相邻导线间的互感及耦合电容等因素（寄生参数），会在芯片内部引发信号噪声、串扰和反射等问题，导致信号电压发生波动甚至失真。

因此，需要进行寄生参数的提取，以及信号完整性的分析验证。

· 静态时序分析

在电路的每个单元位置和各项参数都已确定的情况下，需要再次进行静态时序分析，以确保结果的准确性。

· 形式验证

和前面一样。再做一次，确认一下电路功能是否与之前保持一致。

· 后仿真（时序仿真）

后仿真，也叫时序仿真。

它是在物理布局完成后进行，通过注入实际物理参数（如延时、寄生效应），验证芯片在真实工艺条件下的时序、功耗及信号完整性，确保设计可制造且可靠。

后仿真的核心关注点在时序验证、物理效应分析以及设计收敛。

时序验证前面说过，是检查建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）是否满足，避免信号竞争、毛刺等问题。

物理效应分析，是评估信号完整性（如串扰、噪声）、功耗热点及电压降。

设计收敛，是确保芯片在目标频率下稳定工作（如时钟边沿能否正确触发寄存器）。

前仿真和后仿真的对比，如下表所示：

· 物理验证

物理验证，主要包括LVS、DRC、ERC等检查，目的是确保版图的正确性和一致性。

LVS（Layout vs. Schematic）：版图对原理图一致性检查，就是版图与逻辑综合后的门级电路图的对比验证。

DRC（Design Rule Checking）：版图设计规则检查，检查连线间距，连线宽度等是否满足工艺要求。规则通常都由晶圆厂提供，确保设计在制造过程中不会出现物理上的问题，例如短路、开路、间距不足等。

ERC（Electrical Rue Checking）：电气规则检查，检查短路和开路等电气规则违例。

· 功耗分析

功耗分析是确保芯片性能（Performance）、功耗（Power）和面积（Area）（简称PPA）平衡的核心环节。

它其实贯穿于芯片设计的整个流程，在前面我们也有提到相关流程。它的两大任务是分析IR drop（电压降）和EM（电迁移），防止因此导致的芯片失效。

功耗分析的核心方法包括静态功耗分析和动态功耗分析，常用工具包括Ansys公司的Redhawk，Cadence公司的Voltus，以及Synopsys公司的Ptpx。

· 工程变更

芯片设计有时候还会进行工程变更（Engineering Change Order，ECO）。

也就是局部修改单元位置或布线，解决STA或后仿真发现的违例问题。通过工程变更，可以避免重新设计。

· 签核

注意！布局布线完成后的这几个步骤，包括物理验证、静态时序分析、功耗和可靠性分析等，都属于签核（Sign-off）检查。

签核是流片前的最后一道“守门关”。

如果不满足，就要回到物理设计做修改。如果还是不满足，就需要返到电路设计和验证环节。

如果全都满足，那这个版图就可以送去晶圆厂流片。

签核也要采用EDA工具，包括了IR分析签核工具、时序分析签核工具、物理验证签核工具等。

对于目前越来越复杂的工艺，实现签核收敛（即所有检查均通过）变得越来越困难。这主要是因为多种物理效应（如工艺偏差OCV、信号完整性SI、电源完整性PI、热效应等）之间存在复杂的相互作用。

因此，签核工具需要具备更精确的建模能力、更全面的分析功能，并且常常需要AI的辅助来加速分析和收敛过程。

以上，就是后端设计的主要流程。在实际项目中，其实还包括了附加流程，例如填充单元插入，以及随着制造工艺不断演进产生的DFM（可制造性设计）等。大家有兴趣可以另外研究。

后端设计几个主要阶段的输入和输出，如下表所示：

后端设计全部完成之后，就可以输出最终的GDSⅡ文件了。文件包含以下信息：

层次结构和顶层结构：芯片的不同层和顶层结构，包括金属层、多晶硅层、掩膜层、胶片层等。

几何信息：包括芯片各个部位的尺寸、形状、位置以及与其他部位的连接方式等。

特殊功能区域：如联排、防抖动区域、纹理区、DPJ (Diffusion Pocket Junction) 等。

材料属性信息：描述每个层的材料类型、介电常数、厚度等。

█ 流片

最后，就是流片（Tape-out）！

物理版图以GDSⅡ的文件格式交给晶圆厂，就要开始流片，也就是试生产，制造几十片的样片。

流片为什么会叫Tape-out呢？

因为在上世纪七八十年代，芯片的设计数据都是写到磁带或者胶片里传给工厂。设计团队将数据写入磁带，叫Tape in。工厂读取磁带的数据，叫Tape out。随着时间的推移，磁带早已不用了，但是这个叫法一直沿用了下来。

晶圆厂拿到GDSⅡ文件，开始制作光刻掩模版（mask）。

光刻掩模版

光刻掩模版的制造过程和芯片晶圆的制造过程有点像，大概是这样的：

1、借助无掩模光刻机读取GDSⅡ版图文件，对涂有光刻胶的空白掩膜版进行非接触式曝光。这个步骤将照射掩膜版上预先设定的图形区域，引发光刻胶的光化学反应。

2、经过显影和定影处理后，曝光区域的光刻胶将溶解并脱落，从而暴露出下方的铬层。

3、采用铬刻蚀液进行湿法刻蚀，将暴露的铬层刻蚀掉，以形成透光区域。同时，受光刻胶保护的部分铬层则得以保留，从而形成不透光区域。

4、对掩膜版进行彻底清洗。这样，掩膜版上便形成了具有不同透光率的平面图形结构。

基于掩模版，制作芯片。然后，芯片设计企业对芯片进行详细的测试，看是否流片成功。

如果成功，那就congratulations！如果失败，就要评估能不能降级使用。如果不能，那就要么砸钱重来，要么宣告放弃！