学点知识:手机CPU的设计过程

2020-08-29| |来自: 互联网

现在手机SoC芯片的晶体管数量动辄百亿个,“愚公移山”拼体力一秒画一个,根本不可能。现在的高端芯片设计,已经和体力活说拜拜,设计流程分工极细,设计过程自动化程度极高,这样才能避免芯片上市,“黄花菜”都凉了的尴尬。

下面以数字芯片为例,为大家简单捋一捋芯片设计的过程。

两大流程,

SoC芯片设计流程可以分为前端和后端,前端负责逻辑设计、输出门级网表(netlist),后端进行物理设计,输出版图(layout),然后将版图传给芯片厂制造(tapeout)。

顺带说一句为什么传版图给芯片厂叫tapeout。在早期,芯片设计公司都是用磁带(tape)存储芯片版图文件,需要制造时将磁带送到芯片厂,所以叫“tapeout”。这个词一直沿用到现在,即使现在传送版图文件的方式多样化了。

说白了,这是芯片文化的反映,和计算机的“bug”叫法一样,最早就是电子管大型机时代,工程师清扫追寻电子管亮光而被烤死的飞虫,排除飞虫导致的电路故障。后来,“bug"不再指真实世界中的虫子,而是指软件漏洞。

说回芯片设计流程。

芯片设计两大流程

前面说的芯片前端设计,又可细分为行为级、RTL级、门级,行为级描述电路功能,RTL级描述电路结构,门级描述门这一级电路的结构。

芯片后端设计是将前端设计产生的门级网表通过EDA工具进行布局布线,以及物理验证,最终产生供芯片厂制造使用的版图文件。

芯片设计版图详细描述了电路结构,即哪些地方该保留,哪些地方该腐蚀,哪些地方是连线。芯片制造厂将版图制作成光学掩膜,即可用光刻机制造芯片。


上述过程理解比较费力,可以用熟悉的杂志出版打个简单的比方:

前端设计相当于编辑根据选题计划,挑选投稿,编辑处理,并确定哪些稿件排在重要位置(封面文章),哪些稿件仅是填补版面的酱油角色。后端设计的任务,则是将选好的稿件,排成版面,做成版面图文件,交给印刷厂付印。

简单说,芯片前端设计相当于编辑选稿、处理稿件,后端设计相当于版面编辑排版。

芯片设计之所以要分前端和后端,主要是因为芯片特别是高端SoC芯片结构太复杂了。实际上,专业分工是否精细是衡量一个行业复杂度的两大重要指标之一,另一个指标就是自动化程度是否高。

芯片设计就是一个高度自动化的行业,从前端到后端,都离不开EDA软件(Electronic Design Automation,即电子设计自动化)。芯片设计公司在DEA软件平台上完成芯片的前后端设计,不需要手工画电路图。

EDA主要由美国的Cadence和Synopsys公司提供,两家公司都能提供前端和后端设计软件。目前国内的芯片设计公司包括华为海思、中兴、展讯等企业,都离不开Cadence和Synopsys公司的EDA软件平台。为什么非得用Cadence和Synopsys的?因为这两家公司在行业发展几十年,EDA软件功能完备、生态完整,好用。

那么,如何用EDA软件设计芯片呢?

芯片设计七大步,有两步看不到电路

第一步,用Verilog编写电路,这个过程是看不到电路图的,就是一堆描述性语言,以代码形式呈现。

第二步,跑数字仿真,用到的工具有VCS或MMSIM等工具。仿真的目的是看写出来的设计能不能正常工作,这个过程也看不到电路,还是一堆源代码。

第三步,跑完仿真后,将源代码转换成标准单元电路(Standard Cell)。

第四步,用IC-Compiler等工具进行布线,就是把标准单元电路找到对应的位置,用软件进行自动连线,这个过程需要和芯片的制造工艺进行辅助配合。

第五步,再将标准单元电路填入图形,按设计需求连线,形成版图图形。

第六步,完成版图后,还不能马上交付芯片厂生产,谁知道那些单元的连线没连好,造成噪音干扰,导致功耗升高、性能降低。为了消灭潜在bug,需要分别进行设计规则验证、和布局与原理图验证。

第七步,两大验证通过后,就可以把版图制成GDSII电子文件,交给芯片厂流片(小批量试制)。

第八步,流片后对芯片检测,如果芯片功能正常,符合设计要求,OK,让芯片厂大规模生产。

可以看出,芯片整个设计过程共有7个大步骤,全程都通过EDA软件在电脑上完成,不存在工程师手工一个一个画电路图的情形,甚至在前端设计的部分阶段,设计者根本不用考虑晶体管长什么样、有多大,在后端,设计者也不会去数该芯片含有多少晶体管,而由软件自动统计。

正是有了EDA软件的帮助,即使芯片内部有多达百亿级的晶体管,设计起来也轻轻松松,这就是高科技的力量和魅力。


标签: 芯片 设计 版图 前端 电路 软件 过程 就是 电路图
出处: https://www.wukong.com/answer/6842493150091804936/

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