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如何去实现一种数字前端的设计?包括哪些步骤?

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刘英

2021-6-18 17:04:19
  数字前端以设计架构为起点,以生成可以布局布线的网表为终点;是用设计的电路实现想法;
  主要包括:基本的RTL编程和仿真,前端设计还可以包括IC系统设计、验证(verification)、综合、STA、逻辑等值验证 (equivalence check)。其中IC系统设计最难掌握,它需要多年的IC设计经验和熟悉那个应用领域,就像软件行业的系统架构设计一样,而RTL编程和软件编程相当。
  数字后端以布局布线为起点,以生成可以可以送交foundry进行流片的GDS2文件为终点;是将设计的电路制造出来,在工艺上实现想法。
  主要包括:后端设计简单说是P&R,但是包括的东西不少,像芯片封装和管脚设计,floorplan,电源布线和功率验证,线间干扰的预防和修 正,时序收敛,STA,DRC,LVS等,要求掌握和熟悉多种EDA工具以及IC生产厂家的具体要求。
  术语:tape-out—提交最终GDS2文件做加工;Foundry—芯片代工厂,如中芯国际。。。
  数字前端设计的一般流程:
  1. 规格制定
  芯片规格,也就像功能列表一样,是客户向芯片设计公司(称为Fabless,无晶圆设计公司)提出的设计要求,包括芯片需要达到的具体功能和性能方面的要求。
  2. 详细设计
  Fabless根据客户提出的规格要求,拿出设计解决方案和具体实现架构,划分模块功能。目前架构的验证一般基于SystemC语言,对构架模型的仿真可以使用SystemC的仿真工具。其中典型的例子是Synopsys公司的CoCentric和Summit公司的Visual Elite等。
  3. HDL编码
  使用硬件描述语言(VHDL,Verilog HDL,业界公司一般都是使用后者)将模块功能以代码来描述实现,也就是将实际的硬件电路功能通过HDL语言描述出来,形成RTL(寄存器传输级)代码。
  设计输入工具:具有强大的文本编辑功能,多种输入方法(VHDL,Verilog,状态转移图,模块图等),语法模板,语法检查,自动生产代码和文档等功能。如Active-HDL,VisualVHDL/Verilog等。
  RTL分析检查工具:Synopsys LEDA
  4. 仿真验证
  仿真验证就是检验编码设计的正确性,检验的标准就是第一步制定的规格。看设计是否精确地满足了规格中的所有要求。规格是设计正确与否的黄金标准,一切违反,不符合规格要求的,就需要重新修改设计和编码。
  设计和仿真验证是反复迭代的过程,直到验证结果显示完全符合规格标准。
  ***的VCS,Mentor ModelSim,Cadence Verilog-XL,Cadence NC-Verilog。
  5. 逻辑综合――Design Compiler
  仿真验证通过,进行逻辑综合。逻辑综合的结果就是把设计实现的HDL代码翻译成门级网表netlist。综合需要设定约束条件,就是你希望综合出来的电路在面积,时序等目标参数上达到的标准。逻辑综合需要基于特定的综合库,不同的库中,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,选用的综合库不一样,综合出来的电路在时序,面积上是有差异的。
  一般来说,综合完成后需要再次做仿真验证(这个也称为后仿真,之前的称为前仿真)
  逻辑综合工具Synopsys的Design Compiler(DC),Cadence的 PKS,Synplicity的Synplify等。另外,和综合工具配合使用的还有很多其他工具,如静态时间分析工具,等效性检查工具等等。Synopsys公司和Cadence公司都提供完整的工具包。
  5.1. STA
  Static Timing Analysis(STA),静态时序分析,这也属于验证范畴,它主要是在时序上对电路进行验证,检查电路是否存在建立时间(setup time)和保持时间(hold time)的违例(violation)。这个是数字电路基础知识,一个寄存器出现这两个时序违例时,是没有办法正确采样数据和输出数据的,所以以寄存器为基础的数字芯片功能肯定会出现问题。STA工具有Synopsys的Prime Time。
  5.2. 形式验证
  这也是验证范畴,它是从功能上(STA是时序上)对综合后的网表进行验证。常用的就是等价性检查(Equivalence Check)方法,以功能验证后的HDL设计为参考,对比综合后的网表功能,他们是否在功能上存在等价性。这样做是为了保证在逻辑综合过程中没有改变原先HDL描述的电路功能。形式验证工具有Synopsys的Formality。前端设计的流程暂时写到这里。从设计程度上来讲,前端设计的结果就是得到了芯片的门级网表电路。
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