芯片設(shè)計(jì)流程詳解，國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)現(xiàn)狀是什么樣的?

　　芯片半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱，集成電路 IC;或稱微電路、微芯片、晶片/芯片在電子學(xué)中是一種把電路(主要包括半導(dǎo)體設(shè)備，也包括被動(dòng)組件等)小型化的方式，并時(shí)常制造在半導(dǎo)體晶圓表面上。芯片制作完整過程包括芯片設(shè)計(jì)、晶片制作、封裝制作、測(cè)試等幾個(gè)環(huán)節(jié)，其中晶片制作過程尤為的復(fù)雜。

　　首先我們看一下芯片設(shè)計(jì)流程詳細(xì)步驟?以及國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)行情又是什么樣的呢?

　　一、芯片設(shè)計(jì)總體規(guī)劃。

　　隨著集成電路設(shè)計(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)了很多成熟的常用設(shè)計(jì)模塊，也被成為IP核，現(xiàn)在芯片正向設(shè)計(jì)，不再是完全從0開始，都是基于某些成熟的IP核，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行芯片功能的添加。真正從0開始設(shè)計(jì)的芯片，不是沒有，而是成本太高，企業(yè)無(wú)法承擔(dān)，而且也并沒有必要從0開始設(shè)計(jì)。例如現(xiàn)在的ARM芯片開發(fā)，那些大公司基本上是獲取ARM公司的授權(quán)，得到ARM芯片的IP核，并根據(jù)細(xì)分市場(chǎng)的需求進(jìn)行有針對(duì)性的開發(fā)。這是數(shù)字芯片的情況，模擬芯片的情況也是類似的，當(dāng)然我們并不能小看別人的原創(chuàng)能力，以為就是隨隨便便在別人的基礎(chǔ)上小修小補(bǔ)就可以設(shè)計(jì)出令人滿意的芯片，還有很多東西依然是需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的。芯片正向設(shè)計(jì)依然是從市場(chǎng)未來(lái)需求著手，從開發(fā)成本和預(yù)期收益來(lái)衡量是否進(jìn)行芯片的開發(fā)的。明確市場(chǎng)未來(lái)需求之后，就將這些需求轉(zhuǎn)化為芯片的各項(xiàng)重要參數(shù)指標(biāo)，然后進(jìn)行任務(wù)劃分，模擬設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)模擬，數(shù)字設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)數(shù)字。個(gè)人對(duì)于模擬部分不太熟，所以就略過。重點(diǎn)總結(jié)數(shù)字設(shè)計(jì)部分，當(dāng)然這部分也不是很熟，因?yàn)闆]有真正做過。

　　二、芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)/算法。

　　現(xiàn)在數(shù)字電路在芯片中占有極大的比重，數(shù)字邏輯也變得越來(lái)越復(fù)雜，所以必須從架構(gòu)和算法上進(jìn)行考慮。個(gè)人所略知的關(guān)于芯片架構(gòu)的是，架構(gòu)可以分為三種大的方向：1，數(shù)據(jù)流;2，控制流，3，總線流。數(shù)據(jù)流：數(shù)據(jù)從輸入到輸出是一條直線，并沒有折回的數(shù)據(jù)，這是純數(shù)據(jù)處理的一種架構(gòu)，這種芯片功能應(yīng)該是比較單一。2，控制流，這是基于狀態(tài)機(jī)或者CPU形式的一種架構(gòu)設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單點(diǎn)的芯片就采用狀態(tài)機(jī)就夠了，復(fù)雜的就必須采用CPU作為控制內(nèi)核了，比如單片機(jī)就是以CPU為控制內(nèi)核，外加RAM,ROM所形成的一類控制類芯片。3，總線流，這是基于總線的芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)，最熟悉的就是SOC類芯片，總線上連接著一個(gè)或多個(gè)CPU,RAM,ROM，I2C，UART等等之類的各種組件。由這些組件的不同排列組合，形成滿足各種不同需求的芯片，例如不同的ARM類芯片。

　　算法，我所略知的是通信類的，例如，F(xiàn)IR,FFT,小波變換，三角函數(shù)變換等等，當(dāng)然還有視頻音頻類的算法，對(duì)與這方面的內(nèi)容就沒有接觸過了?？偟膩?lái)說，這類算法都是以數(shù)據(jù)處理為主要目的的，所以這些算法都要求有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底。做算法開發(fā)，主要工具為MATLAB，都是先在MATLAB上做原型開發(fā)驗(yàn)證，再轉(zhuǎn)化為RTL級(jí)的代碼。

　　結(jié)合架構(gòu)和算法，將芯片的總體結(jié)構(gòu)搭建出來(lái)，為后續(xù)的工作做好了準(zhǔn)備。

　　三、芯片設(shè)計(jì)RTL代碼。

　　當(dāng)算法工程師把芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)好，各種算法在MATLAB上通過了驗(yàn)證，以及其他必要條件的考量之后，便將工作交接給ASIC工程師去做RTL代碼的翻譯工作，就是將MATLAB上的算法翻譯成RTL。這一步單純從翻譯的角度只需要一個(gè)文本編輯器就可以了。然而，還有后續(xù)的仿真驗(yàn)證工作，這部分的內(nèi)容并不輕松。有時(shí)候根據(jù)公司的不同，根據(jù)項(xiàng)目的工作量大小，算法工程師與ASIC工程師在工作內(nèi)容上是有交叉的，他們也承擔(dān)將MATLAB轉(zhuǎn)換為RTL的工作。RTL設(shè)計(jì)的時(shí)候也會(huì)考慮DFT(Design For Test 可測(cè)性設(shè)計(jì))的問題，會(huì)在RTL代碼中加入測(cè)試鏈，這個(gè)我就不太熟了。

　　四、芯片設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證。

　　這一步的工作比較關(guān)鍵，可以說是設(shè)計(jì)部分的第一個(gè)分水嶺。仿真驗(yàn)證，視不同的公司，不同的項(xiàng)目，復(fù)雜度有非常大的不同。簡(jiǎn)單的，只要寫一個(gè)較為完善的testbench驗(yàn)證完RTL代碼的功能就行了;復(fù)雜的，將會(huì)在RTL驗(yàn)證環(huán)境下進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)證，甚至可能用得到各種驗(yàn)證方法學(xué)UVM,VMM,OVM等等，這種復(fù)雜驗(yàn)證所用的語(yǔ)言一般采用SystemVerilog。驗(yàn)證軟件可以采用cadence公司的NC_VERILOG，或者synopsys公司的VCS。此外，某些芯片還會(huì)采用FPGA，進(jìn)行硬件在線仿真。這樣能夠獲取關(guān)于芯片的更為詳細(xì)的信息。但不管如何，無(wú)論是個(gè)人還是公司，都應(yīng)該有對(duì)于仿真驗(yàn)證工作的一套完整和完善的流程方案。

　　五、芯片設(shè)計(jì)工藝選擇。

　　正向設(shè)計(jì)在一開始的整體規(guī)劃中就要考慮工藝的問題，這涉及到有關(guān)工藝的相關(guān)知識(shí)，有些工藝就是特別為某種類型的芯片而開發(fā)的。所以一旦是要開發(fā)某種有對(duì)應(yīng)工藝的芯片，則直接采用即可，但往往工藝的選擇會(huì)特別耗時(shí)間，會(huì)有各種參數(shù)的考量，例如工藝生產(chǎn)周期，工藝的成品率，工藝生產(chǎn)時(shí)間的安排等等各方面的考究。這部分，需要花費(fèi)特別多的時(shí)間。工藝由芯片制造廠提供，前提是必須和芯片制造廠有合作關(guān)系。

　　六、綜合、時(shí)序&功耗分析。

　　這一步是在RTL仿真驗(yàn)證完之后進(jìn)行，當(dāng)然還有一個(gè)前提，制造工藝必須選定，否則，如果中途換了工藝，這部分的工作還得重新來(lái)做，這樣將會(huì)消耗特別多的時(shí)間。這部分的工作主要用到synopsys公司的工具Design Complier(綜合)、Prime Time(時(shí)序和功耗)。這兩個(gè)工具的使用比較復(fù)雜，使用說明參考百度文庫(kù)相關(guān)資料?？傮w來(lái)說，這兩個(gè)工具都是約束驅(qū)動(dòng)型軟件，軟件在使用時(shí)都是靠約束文件來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。所以工作的主要內(nèi)容除了軟件的使用外最重要的就在于如何編寫約束文件。一般而言，約束主要有面積約束，扇入扇出約束，時(shí)序約束等約束條件。如果RTL代碼不滿足約束，則必須根據(jù)具體情況修改約束條件或者是修改RTL代碼。約束條件是用TCL腳本語(yǔ)言來(lái)寫。綜合和時(shí)序分析會(huì)生成基于所采用的工藝的電路網(wǎng)表，這個(gè)網(wǎng)表將是下一步自動(dòng)布局布線所用到的主文件。

　　主要工作內(nèi)容：1、準(zhǔn)備好選定的工藝庫(kù)文件(綜合網(wǎng)表文件、時(shí)序文件庫(kù));2、根據(jù)設(shè)計(jì)要求編寫TCL約束腳本;3，操作軟件，生成約束報(bào)告;4，分析約束報(bào)告，修改或調(diào)整不合理的約束或者修改RTL代碼(RTL代碼不會(huì)輕易修改，這要求在RTL設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮這些約束要求，以便于能夠通過約束分析)。

　　七、 形式驗(yàn)證。

　　綜合出來(lái)的網(wǎng)表正確與否如何判定呢?這需要用到形式驗(yàn)證技術(shù)，該技術(shù)與RTL的仿真不同，它是從數(shù)理邏輯出發(fā)，來(lái)對(duì)比兩個(gè)網(wǎng)表在邏輯上的等效性。如果等效，則綜合的網(wǎng)表就是符合要求的。用到的工具為synopsys 公司的Formality 形式驗(yàn)證工具。其實(shí)，形式驗(yàn)證是在每一次芯片的邏輯電路轉(zhuǎn)換為另一種表達(dá)形式的時(shí)候都需要做的工作。具體來(lái)說，在綜合生成網(wǎng)表后做一次，主要對(duì)比的文件為RTL仿真之后的文件和綜合之后的網(wǎng)表，在布局布線之后還需要做一次，主要對(duì)比文件為綜合之后的網(wǎng)表與布局布線之后的網(wǎng)表。主要工作內(nèi)容：1、準(zhǔn)備好待比較的兩份文件及各種工藝技術(shù)庫(kù)文件;2、用TCL腳本編寫腳本程序，設(shè)置其中一份文件為比較標(biāo)準(zhǔn)，其中一份為待比較文件;3、運(yùn)行Formality，分析生成的比較報(bào)告;4、根據(jù)報(bào)告做出相應(yīng)的調(diào)整與修改。

　　八、自動(dòng)布局布線。

　　這個(gè)步驟嚴(yán)重依賴于軟件和經(jīng)驗(yàn)，目前常用的軟件為Cadence Encounter不同版本的自動(dòng)布局布線軟件名字可能不一樣。Synopsys公司也有對(duì)應(yīng)的自動(dòng)布局布線的軟件ASTRO，最新版本為ICC套件。軟件的使用同樣可以在網(wǎng)上找到相關(guān)資料，這里就不細(xì)說了。主要工作內(nèi)容：1、準(zhǔn)備好工藝文件(時(shí)序文件庫(kù) 數(shù)字版圖庫(kù));2，準(zhǔn)備好綜合之后的電路網(wǎng)表文件及約束文件;3，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)置好版圖面積等相關(guān)參數(shù)，4，進(jìn)行自動(dòng)布局布線，檢查時(shí)序和功耗，如果不滿足要求，則再次修改相關(guān)參數(shù)，直到符合設(shè)計(jì)要求為止。自動(dòng)布局布線需要注意的是：數(shù)字信號(hào)一定要關(guān)注好關(guān)鍵路徑的延時(shí)問題，這一點(diǎn)曾經(jīng)是數(shù)字設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)在，據(jù)說，時(shí)序已經(jīng)不再是芯片設(shè)計(jì)的主要難題了，主要難題已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了功耗上，在設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段都要考慮功耗的問題。

　　模擬部分似乎是沒有數(shù)字部分那么多的工具需要使用，但模擬部分的電路設(shè)計(jì)最考究的還是工程師們的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)都是要靠時(shí)間才能堆出來(lái)的。模擬電路的每一個(gè)模塊都需要很多的時(shí)間去驗(yàn)證，比說一個(gè)高性能的放大器，一個(gè)與工藝和電壓無(wú)關(guān)的帶隙基準(zhǔn)等等。模擬的版圖只能是一個(gè)一個(gè)管子的畫，沒有自動(dòng)布局布線的必要，因?yàn)槟M電路的管子也不會(huì)很多。

　　剩下的工作就是合并整體的版圖，并進(jìn)行DRC、LVS的各種驗(yàn)證，通過之后就可以tapeout。之后再制定測(cè)試規(guī)范，這與反向設(shè)計(jì)的剩余步驟是一樣的。另外，有時(shí)候版圖還需要做ECO(Engineering Change Order)工程修改命令,是指在原有的設(shè)計(jì) 的基礎(chǔ)上如果要作一些改動(dòng)，可不必從頭再來(lái)，可以在原來(lái)的布局上通過 eco 步驟快捷地 完成設(shè)計(jì)。

　　國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)行業(yè)現(xiàn)狀

　　目前，國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)數(shù)量趨于穩(wěn)定，截止2017年10月底，全國(guó)共有約1380家設(shè)計(jì)企業(yè)，比去年的1362家多了18家，總體變化不大。

　　2009-2017 年中國(guó)IC 設(shè)計(jì)公司數(shù)目(2017 為2017 年10 月)

　　從設(shè)計(jì)業(yè)銷售變化情況來(lái)看， 2017年全行業(yè)銷售預(yù)計(jì)為1945.98億元，比2016年的1518.52億元增長(zhǎng)28.15%，在全球集成電路設(shè)計(jì)業(yè)所占的比重再次大幅提高。

　　2014-2016 年中國(guó)IC 設(shè)計(jì)公司營(yíng)收情況(2017 為2017 年10 月)

　　2017年我國(guó)芯片設(shè)計(jì)業(yè)的從業(yè)人員規(guī)模與2016年的基本相同，略有增長(zhǎng)，大約為14萬(wàn)人。

　　2016-2017 年中國(guó)不同方向IC 設(shè)計(jì)的收入規(guī)模(單位：億元)

　　從事通信芯片設(shè)計(jì)的企業(yè)從去年的241家增加到266家，銷售額增長(zhǎng)了30.7%，達(dá)到899.74億元。

　　從事多媒體芯片設(shè)計(jì)的企業(yè)從去年的43家到增長(zhǎng)72家，銷售總額下降了0.63%，達(dá)到175.57億元;

　　從事模擬芯片設(shè)計(jì)的企業(yè)數(shù)量從219家減少到180家，銷售額增長(zhǎng)了5.14%，達(dá)到68億元。

　　從事功率器件設(shè)計(jì)的企業(yè)從77家增加到82家，銷售額增長(zhǎng)了155.14%，達(dá)到76.67億元，為2017年增長(zhǎng)最快的產(chǎn)品領(lǐng)域;

　　從事消費(fèi)類電子芯片設(shè)計(jì)的企業(yè)數(shù)量從上年的589家增加到610家，銷售增長(zhǎng)45.2%，達(dá)452.33億元，繼續(xù)保持了2016年的快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。

　　從事智能卡芯片設(shè)計(jì)企業(yè)從上年的69家減少到62家，但銷售總和上升了5.68%，達(dá)到139.15億元。

　　從事計(jì)算機(jī)芯片設(shè)計(jì)的企業(yè)數(shù)量從去年的107家減少到85家，但銷售提升了13.99%，達(dá)到128.28億元。

　　2017年各類芯片設(shè)計(jì)企業(yè)數(shù)量及銷售額

　　2004年全球IC設(shè)計(jì)公司前50名中沒有一家中國(guó)本土IC設(shè)計(jì)公司，2015 年海思半導(dǎo)體已經(jīng)進(jìn)入前十名，2016年海思與紫光展銳進(jìn)入全球前十。此外北京豪威、中興微電子、華大半導(dǎo)體、智芯微、匯頂科技等也進(jìn)入前50，足以說明大陸本土IC設(shè)計(jì)公司的實(shí)力以及發(fā)展速度。