数字 IC top-down 设计流程
拿到一个芯片设计项目，首要做的事就是确定好系统功能、性能、物理尺寸、
设计模式、制造
工艺、设计周期、设计费用等等。芯片项目的总体规划确定好之后，接着就要
从技术层面上设计芯
片，芯片流程一般分为前端设计和后端设计连个过程。
前端设计：
1.设计输入
确定芯片的具体逻辑功能，设计合理的算法（如有必要，可将芯片划分子模
块），使用 HDL 语言
（常用 VHDL 或 Verilog）描述芯片（模块）功能，写出可综合级别的代码。
HDL 语言可以直接用各种
文本编辑器编写（要注意后缀），也可以用仿真器自带的文本编辑器编写。如
果逻辑结构不是很复
杂，或者电路形式有特定的要求，不宜用 HDL 语言描述，这时可以考虑用原理
图编辑器直接画出原理
图，或者直接编写出电路网表。常用的输入工具有 Cadence 的 Composer,
Synopsys 的 Viewdraw 等。
2.前端仿真（ RTL 级）
用仿真工具对 HDL 代码作前仿真，做理想状况下的功能验证，观察 HDL 仿真结
果是否满足要求。
仿真工具主要有 Synopsys 公司的 V S S（ VHDL）、 V C S（ Verilog），
Cadence 公司的 NC-Verilog 和 Verilog-XL
（ Verilog）， Leapfrog（ VHDL） ,Mentor Graphics 公司的 Modelsim
（ Verilog&VHDL）。还有些 FPGA
公司的仿真软件也不错，比如 Altera 公司的 Quartus。
3.逻辑综合
前仿真通过以后，就可以把代码拿去综合了，逻辑综合是指把 HDL 语言描述转
化成电路门级网表，
并进行逻辑和时序电路的优化。综合需要设定约束条件，还需要基于特定的综
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。输出文件也可以有多种格式，常
用的有 EDIF 格式
（ Electronic Data Interchange Format 电子数据交换格式）。综合工具
Synopsys 公司的比较强，
如 DC（ Design Compiler）， BC（ Behavior Compiler）， Cadence 的有 Ambit，
PKS。有些 FPGA 用的第
三方综合工具功能也很强大，如 Cadence 的 Synplify， Synopsys 的 FPGAExpress 和 FPGA-Compiler，
Mentor 的 Leonardo Spectrum。
4. 形式验证
是从功能上对综合后的网表进行验证。常用的就是等价性检查方法，以 HDL 为
参考，对比综合生
成的网表功能，验证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， Mentor 的
FormalPro。
这些都没有问题了就可以进入后端设计了。
后端设计：
5.数据准备
后端设计需要 foundry 提供的和前端设计产生的一些数据。
例如对于 Cadence 的 SE（ Silicon Ensemble）而言所需的数据主要有 Foundry
厂提供的标准单元
（全定制设计也可由自己设计标准单元）、宏单元和 I/O Pad 的库文件,它包括
物理库、时序库及网
表库,分别以.lef、 .tlf 和.v 的形式给出。前端的芯片设计经过综合后生成的
门级网表,具有时序约
束和时钟定义的脚本文件和由此产生的.gcf 约束文件以及定义电源 Pad 的 DEF
（ Design Exchange
Format）文件。对 synopsys 的 Astro 而言, 经过综合后生成的门级网表,
时序约束文件 SDC 是一样
的,Pad 的定义文件--tdf, .tf 文件--technology file,Foundry 厂提供的标
准单元、宏单元和 I/O
Pad 的库文件就与 FRAM, CELL view, LM view 形式给出(Milkway 参考库 and
DB, LIB file)
标准单元版图。标准单元分为单元库和全定制两种。单元库一般是 foundry 给
定的，全定制的话，
版图是由自己公司专门的版图工程师画的， Layout 工具有 Cadence Virtuoso
layout editor，另外
还有 Laker 等使用也很广泛。版图画完后往往要做一下 DRC 验证（ Design Rule
Checking 设计规则检
查，检查连线间距,连线宽度等几何规则是否满足工艺要求）， LVS 验证
（ Layout Vs Schematic 版图
与逻辑综合后的门级电路图的参数对比验证），这要借助 Cadence 的 Diva，
Dracula 或者 Mentor 公司
的 Calibre 或者 Synopsys 公司的 Hercules， LVS 上 Hercules 功能尤显强大。
6.自动布局布线（ Auto place & route，简称 APR）
利用前面做好的网表和单元版图生成整块芯片版图。可用工具有 Synopsys 公司
的 Astro（ Avant!
的 Apollo）， Cadence 的 design framework,Silicon Ensembler， Envisia
place &route DSM,Design
Planner,Gate Ensemble。
（ 1）布局规划，主要是标准单元、 I/O Pad 和宏单元（如 IP 模块， RAM 等）的
布局。 I/O Pad 一般
是预先给定了位置的,而宏单元则根据时序要求进行摆放,标准单元则是给出了
一定的区域由工具自
动摆放。布局规划后,芯片的大小,Core 的面积,Row 的形式、电源及地线的
Ring 和 Strip 就都确定下来
了。如果有必要，在自动放置标准单元和宏单元之后, 可以先做一次
PNA(power network analysis）
--IR drop（电压降） and EM（电迁移）。布局规划能直接影响芯片最终的面
积。
（ 2） Placement（标准单元放置）。布局规划后,宏单元、 I/O Pad 的位置和放
置标准单元的区域
都已确定,这些信息由 SE（ Silicon Ensemble）通过 DEF 文件传递给
PC(Physical Compiler 物理综合
工具),PC 根据由逻辑综合给出的.DB 文件获得网表和时序约束信息进行自动放
置标准单元,同时进行
时序检查和单元放置优化。如果是用 PC +Astro,则可用 write_milkway,
read_milkway 传递数据。
（ 3） Routing（布线）是指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
缘的电性能约束的条件下,根据电路的连接关系将各单元和 I/O Pad 用互连线连
接起来,这些是在时
序驱动(Timing driven ) 的条件下进行的,保证关键时序路径上的连线长度能
够最小。基本流程是：
Global route-- Track assign --Detail Dummy Metal 的增加（详见第 10
步）。
（ 4）布局布线中需要注意的是 CTS（ Clock Tree Synthesis，时钟树综合），
简单点说就是时钟
的布线。由于时钟信号在数字芯片的全局指挥作用，它的分布应该是对称式的
连到各个时序单元，
使时钟从同一个时钟源到达各个时许单元的延迟差异最小。而且有的时序单元,
对时钟源来说负载很
多,其负载延时很大也会造成不平衡,这是就需要插入缓冲器减小负载和平衡延
时。从而因此时钟信
号一般需要单独布线。这些时钟网络及其上的缓冲器构成了时钟树。一般要反
复几次才可以做出一
个比较理想的时钟树。 CTS 工具常用 Synopsys 的 Physical Compiler。
7.寄生参数提取及后仿真
（ 1）由于芯片里面的导线等本身存在的电阻，相邻导线之间还有互感,耦合电
容等，他们都会在
芯片内部会产生信号噪声，串扰和反射。这些效应会产生信号完整性问题，导
致信号的电压波动和
变化，如果严重就会导致信号失真错误。因此从 layout 进行寄生参数提取
（ extract），反标到前面
的网表中，再次分析验证信号完整性问题是非常重要的。常用的参数提取工具
有 Synopsys 的 Star-RC
XT， Cadence 的 Nautilus DC，软件生成的带有完整的延时信息的设计文件格式
一般有： *.vho,*.sdf
文件。
（ 2） STA（ Static Timing Analysis 静态时序分析）是采用穷尽分析方法来提
取出整个电路存在的
所有时序路径，计算信号在这些路径上的传播延时，检查信号的建立时间
（ setup time）和保持时
间（ hold time）是否满足时序要求，通过对最大路径延时和最小路径延时的分
析，找出违背时序约
束的错误。因为时钟树插入后,每个单元的位置都确定下来了,工具可以提出
Global Route 形式的连
线寄生参数,此时对延时参数的提取就比较准确了。例如 SE 把.V 和.SDF 文件传
递给静态时序验证工具
进行分析。而对 Astro 而言,在 detail routing 之后, 用 starRC XT 进
行参数提取,生成的.V 和.SDF
文件传递给 PrimeTime 做静态时序分析,那将会更准确。时序验证工具有
Cadence 的 Pearl， Synopsys
的 Prime Time 等。这些流程都没有问题后，就可以将.v 和.sdf 文件送去前端
人员那里进行后仿真，
即 DTA（动态时序分析），再次验证逻辑功能，后仿真应做 SI（信号完整性）
分析。
8. ECO(Engineering Change Order)
针对静态时序分析和后仿真中出现的问题,对电路和单元布局进行小范围的改动。
后仿真和前面
的布局布线阶段可能需要反复的循环进行才能达到设计要求，这需要前端人员
和后端人员的良好配
合。
9.芯片功耗分析
实际的后端流程还包括电路功耗分析，功耗分析常用的工具有 Prime power，
Power Compiler 等。
10.Filler 的插入(pad filler, cell filler)和 Dummy 金属的添加
Filler 指的是标准单元库和 I/O Pad 库中定义的与逻辑无关的填充物,用来填
充标准单元和标准单元
之间,I/O Pad 和 I/O Pad 之间的间隙,它主要是把扩散层连接起来,满足 DRC 规
则和设计需要。另外还
因为 Foundry 对金属密度一般都有规定,使其金属密度不要低于一定的值,以防
在芯片制造过程中的
刻蚀阶段对连线的金属层过度刻蚀从而降低电路的性能，加入 Dummy Metal 就
是为了增加金属的密
度。
11.整体物理版图验证
主要包括 LVS， DRC， ERC（ Electrical Rule Checking 电气规则检查，检查短
路,开路等电气规
则违例）。工具前面已经介绍，这一步的完成基本上就是是整个芯片设计阶段
完成，下面的就是芯
片制造了。物理版图以 GDSII 的格式交给掩膜版厂做掩膜，然后到芯片代工厂
（ Foundry）流片（ tape
out），在晶圆硅片上做出实际的电路。流片出来后要对样片进行各种测试，满
足要求后就可以批量
生产了。
附：
DFT（ Design For Test 可测性设计）。 IC 设计时内部往往都设计为自带测试电
路的结构， DFT 的目
的就是在设计的时候就考虑将来的测试。 DFT 的常见方法就是，在设计中插入
扫描链，将非扫描单元
（如寄存器）变为扫描单元， DFT 工具 Synopsys 的 DFT Compiler， Mentor 的
FastScan 等，需前后端设
计员合作，并参与 tapeout 后测试。还有随着制造工艺不断进步产生的 DFM
（可制造性设计）问题等
等。
总结：
Specification ->Architecture->RTL->SIM->DC->SIM->PT->DC->ASTRO->PT-
>DRC,LVS， ERC->TAPE OUT
数字 IC 设计中常见文件格式：
.alf： Advanced Library Format describing IC technology, cells and
blocks
.cif： Caltech Intermediate Format，纯文本的中间文件，主要用于版图的导
入输出，不用于生产
.ctlf： Compiled Timing Library Format
.db： data base
.def:design exchange format
.dspf：寄生参数交互格式
.edif： Electronic Data Interchange Format
.gcf： General Constraint Format
.GDSII： Graphic Design System II， Foundry 最常用的最终版图格式
.lef： Layout Exchange Format
.lib： DC 工具用的库文件格式
.sdf：增量标准延时格式，用作静态时序分析模块 Prime Time 的输入
.spef：标准寄生参数交换格式
.tdf：工艺库对 pad 的定义文件
.tf ： Technology File format
.tlf： timing library format
.v： Verilog 源代码
.vhd： VHDL 源代码
.vho：带延时的门级网表文件,用于 vhdl 代码在第三方仿真 tools 下运行
----本人于网上找的资料，仅用于阅读
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