第一课：ASIC设计基本流程_asic 时序约束与rtl设计

第一课：ASIC设计基本流程

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）设计概要图

注：ASIC与FPGA的优缺点对比：FPGA可看作为一种较通用芯片，可以通过代码来实现不同的功能，问题是芯片的面积利用率较低，导致成本增大，同时利用的性能不高；而ASIC为专用芯片，面积充分利用，且性能通过专门设计优化大幅提升。

以上为ASIC芯片设计的大致流程，中间蓝色部分为功能实现，左侧部分为功能验证，验证中间设计的转换过程有没有出错；右侧为对应所需的性能指标，因为你芯片设计出来，不仅要实现相应的功能，同时还要达到性能指标，才能商业化。人在芯片设计流程中，除了前端设计外，主要做的是左右侧的验证内容，中间的内容都有专门的工具做；下面分别讲述每个模块对应的内容：

1:芯片架构书是是市场经理结合客户及市场需求后，交给架构师，架构师再设计出架构书，架构书内部含有一些大体的Spec，如芯片要实现的功能、用什么算法等；而作为前端设计师，首先要做的就是从硬件层面考虑，把架构书中的大方面Spec转化为很多具体的小Spec，得到具体的Spec文档，然后再编写为Verilog代码，这其中写代码是后一步，前一步一定要把具体的Spec做好做细致，后面写代码才会少出问题，一般定Spec文档和写代码的时间为1:1。

2: Verilog语言描述硬件行为一般有三个层次：行为级/寄存器传输级/门级，其中一般用寄存器传输级效率最高，即RTL Coding（Register Transfer Level）；

So，为什么选择寄存器传输级来描述呢？/为什么寄存器传输效率最高？

答：根据寄存器的特性：①寄存器可以存储数据，只有时钟沿来了才会改变数据，其他时候数据保持不变，故只需要描述在时钟沿来的那一刻的变化行为即可，其他时刻无需描述；②寄存器变化受时钟沿同步控制，便于描述功能，如某时刻将寄存器A的值给到B；设想一下，十几万个寄存器，大家必须听从统一的命令，不然无法正常运行；

逻辑综合：从RTL Coding，经过EDA工具，EDA工具根据一些规则，得到门级网表，这整个一步就叫逻辑综合；以前没有EDA工具时，是直接写门级网表的，即对应上述的Verilog语言描述硬件行为的第三个层次；EDA厂商：Synopsys/Cadence/Mentor；

门级网表经过EDA工具自动布局布线APR (Auto Place and Route)后，得到版图，最后将版图交给代工厂流片；

DFT（Design For Test）:可测性设计，用于芯片在流片回来后，测试芯片在制造过程中有没有出现问题，先进性DFT测试，确保无问题后在进行功能测试； 为了实现 此功能，需要在网表中加一点内容进去，即Scanchain，通俗讲即将所有寄存器用一根链连起来，通过一个引脚灌入测试pattern，根据输出是否符合预期进行判断，

验证方面，同样根据架构书得到验证Spec而不参考设计Spec（后面再看二者的结果，一致则表明设计无问题），再利用高级语言建立参考模型，利用参考模型对RTL Coding进行功能验证--即功能仿真，通过参考模型检验RTL代码是否符合参考模型的行为，或者说，将一个激励同时灌给参考模型和RTL代码，观察输出，若每个case的输出都是相等的，则认为RTL代码等价于参考模型；功能仿真是一种动态仿真，即给激励，观察输出，只有动起来的地方才能仿真到，没有擦写的部分是无法仿真到的，故要尽可能的给出多的case，以致将更多的地方动起来，都仿真到；功能仿真完成后，证明设计Spec文档到RTL代码的转换是OK的；

RTL代码经过逻辑综合后，得到门级网表，那么怎么保证这个过程没有出bug呢？形式验证和门级仿真。门级仿真和功能仿真类似，是一种动态仿真，将case在网表代码中跑一边，观察输出是否符合预期，这一过程叫门级仿真，但门级仿真较慢，无法把所有case都跑一边，故只是一种辅助验证方法，不可取；形式验证是一种静态功能仿真，是可取的；形式验证将代码和网表全部拆分成一小块一小块，将每一小块进行对比，若每一小块都是相等的，则认为RTL代码和网表代码完全等同，对功能进行Signoff。

网表经过APR后得到版图的同时，也会得到另一份网表，则APR前后的网表可通过形式验证和后仿来判断是否等价；后仿真时(动态仿真)，由于已经完成布线了，则连线延时可以算出来了，则可以进行带延时的仿真，目的一是为了功能，二是为了时序，但后仿也是无法跑完所有case，只能作为一种辅助方法。 版图验证即物理验证，是将APR后的网表和版图进行验证，保证二者等价，最后版图Signoff，常用Calibre 的DRC/Layout Verify Schematic；

在进行逻辑综合转换时，还会加入功能时序约束条件，即决定电路运行速度的快慢；转换得到网表后，要看是否达到我们的时序要求，即得到综合时序报告，在对时序进行分析；

在综合逻辑和自动布局布线时，工具自身也会对时序进行分析，但精度可能有限--APR之前的网表需要进行静态时序分析（Static Timing Anlysis），布局Place/时钟树CTS/布线Route每一步，及APR完成后得到的网表都需要进行STA分析; 最后，人为分析时序，进行时序验收Signoff；

芯片功耗的产生，分为动态功耗和静态功耗，其中动态功耗占主要部分，动态功耗即晶体管开关产生的功耗；静态功耗即晶体管不工作时产生的线路功耗；

低功耗设计：①Clock Gating：芯片中的不同部分并不是同时都在工作的，将部分不工作的寄存器时钟关闭，需要工作时在打开；②Power Gating:将不工作的寄存器模块电源关闭，这样连线路功耗都没有了；

后端时，可能不同的电源域电压不同，二者产生信号交互时电压不同需要进行一些匹配处理；

最后的IR分析，即线路压降分析，当一个power驱动一个门时，若线路过长，产生的压降较大，则一个power可能无法驱动该门的工作，需要考虑是否要再加一个power等；

最后总结一下后端工程师PD的大致工作~