芯片設(shè)計(jì)五部曲之一 | 聲光魔法師——模擬IC

芯片設(shè)計(jì)五部曲來(lái)了！本季將會(huì)包括：模擬IC、數(shù)字IC、存儲(chǔ)芯片、算法仿真和總結(jié)篇（排名不分先后）

第一集：模擬IC

模擬IC是負(fù)責(zé)生產(chǎn)、放大和處理各類模擬信號(hào)的電路，工程師通過(guò)模擬電路把模擬信號(hào)放大縮小后，再全部記錄下來(lái)，是連續(xù)的信號(hào)；而數(shù)字IC則是通過(guò)0和1兩個(gè)代號(hào)來(lái)處理手機(jī)信號(hào)、寬帶信號(hào)和數(shù)碼信號(hào)等，是離散的信號(hào)。

如果說(shuō)數(shù)字IC像科學(xué)，那么模擬IC，就更像是一種魔法。

利用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助模擬芯片設(shè)計(jì)，本質(zhì)是在解一道又一道高階微分方程題。

EDA工具就是干這個(gè)的，ta的價(jià)值，就不需要我們來(lái)解釋了。

而我們今天的主題是：模擬IC設(shè)計(jì)不同階段有哪些典型的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，使用的EDA工具有哪些特性，我們?nèi)绾卫糜?jì)算機(jī)技術(shù)提升不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的計(jì)算效率，協(xié)助模擬芯片工程師更高效地完成芯片研發(fā)工作，提升整體效率。

本篇主要從EDA工具的計(jì)算任務(wù)視角出發(fā)。

而在計(jì)算角度之外，調(diào)度/管理/數(shù)據(jù)/協(xié)同/CAD等視角，那就是另外的（價(jià)錢）篇章了~

先給大家一個(gè)模擬芯片設(shè)計(jì)全流程分析圖：

1、前仿階段：前端電路設(shè)計(jì)與仿真

本階段包括了設(shè)計(jì)需求/說(shuō)明書架構(gòu)、原理圖輸入、前仿結(jié)果比對(duì)設(shè)計(jì)需求3大步驟。

前仿階段本質(zhì)上是數(shù)值計(jì)算，因此對(duì)主頻要求很高，一旦資源無(wú)法滿足，會(huì)直接造成CPU過(guò)載，且任務(wù)之間獨(dú)立可切割，十分適合并行?；谠O(shè)計(jì)圖的設(shè)計(jì)與仿真，參數(shù)范圍較少，對(duì)內(nèi)存要求不高。此階段多為多corner與蒙特卡羅Monte Carlo任務(wù)，峰值算力需求較高，存儲(chǔ)需求一般。

2、中期：版圖設(shè)計(jì)驗(yàn)證

本階段包括版圖設(shè)計(jì)、版圖規(guī)則檢查DRC/LVS兩個(gè)步驟。

版圖繪制/驗(yàn)證同屬規(guī)則檢查，因?yàn)椴簧婕皵?shù)值計(jì)算，對(duì)主頻要求不高，重內(nèi)存需求。版圖可以模塊為單位進(jìn)行切割，子任務(wù)間幾乎無(wú)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、適合并行。但版圖檢查量十分大，算

力需求比前仿高，推薦使用多核+大內(nèi)存機(jī)型，存儲(chǔ)要求最高。

3、后仿階段：后端仿真

后仿包括寄生參數(shù)提取、后端仿真、GDS文件形成。

后仿和前仿類似，多個(gè)任務(wù)可進(jìn)行分布式處理。但后仿階段任務(wù)，因?yàn)橛锌赡苌婕半姶艌?chǎng)仿真，本質(zhì)雖為數(shù)值計(jì)算，但需在優(yōu)先滿足內(nèi)存情況下，再滿足高主頻需求，因?yàn)榧尤肓烁黝?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%85%83%E5%99%A8%E4%BB%B6/">元器件的寄生參數(shù)，算力需求是三大階段里最高的，存儲(chǔ)比前仿要求高，有時(shí)會(huì)與版圖階段相當(dāng)。

以下，我們選了三種典型場(chǎng)景，展開說(shuō)說(shuō)：

兩大超常見數(shù)值計(jì)算場(chǎng)景

多corner又稱為多工藝角，和蒙特卡羅Monte Carlo屬于兩種不同的電路性能與工藝誤差的估計(jì)方法，但本質(zhì)上都是數(shù)值計(jì)算，前仿和后仿都會(huì)大量使用這兩種方法進(jìn)行任務(wù)處理。這兩種方法里的單個(gè)任務(wù)間都獨(dú)立、沒(méi)有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，不論是多corner 還是Monte Carlo都很適合進(jìn)行分布式并行計(jì)算。

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多corner是將元件的電阻、溫度、電壓等參數(shù)的誤差上下限固定后，取每個(gè)參數(shù)的極值（誤差上限或誤差下限）進(jìn)行排列組合，每一個(gè)組合都是一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)。

一種組合就是一個(gè)corner，全部的排列組合即多corner。

這就像你來(lái)到一家二選一奶茶店。這家店奶茶店的甜度、熱度、加多少配料都只提供兩個(gè)選擇，你要么選擇不甜，要么最甜。你每喝一次無(wú)非都在這些選項(xiàng)里排列組合（2*2*2種），比如超多糖、燙嘴、超多料；下次你換一種排列組合，無(wú)糖，多冰，無(wú)料；所有選項(xiàng)的排列組合全點(diǎn)了，那就是多corner。

蒙特卡羅Monte Carlo則是在上、下限之間無(wú)窮盡地取值進(jìn)行排列組合。

這次你來(lái)到了一家新的奶茶店，名字叫無(wú)窮∞奶茶店，選項(xiàng)完全定制化。你可以在選擇任意一個(gè)值，比如第一次你喝的是3分甜、少少冰、不加料；下一次覺得不夠甜，不冰，你點(diǎn)了6.6分甜、7.8分冰、加兩顆珍珠。

這樣就會(huì)有出現(xiàn)無(wú)數(shù)種排列組合的奶茶，這就是蒙特卡羅Monte Carlo了。

可取無(wú)數(shù)個(gè)組合的蒙特卡羅Monte Carlo可以用來(lái)估算良率的范圍，隨著取值組合越多，對(duì)工藝偏差導(dǎo)致的誤差估計(jì)范圍越準(zhǔn)確，對(duì)實(shí)際的成品良率預(yù)測(cè)范圍越準(zhǔn)確，當(dāng)然計(jì)算量也會(huì)成倍提高。

不管是哪家奶茶店，這杯奶茶與那杯奶茶之間互相獨(dú)立，你喝你的，我喝我的。這就是多corner和蒙特卡羅Monte Carlo任務(wù)特別適合分布式并行計(jì)算的本質(zhì)原因。不同任務(wù)，你算你的，我算我的，分開算，人多力量大。

不論是前仿還是后仿階段，都需要大量多corner與蒙特卡羅Monte Carlo仿真。兩者相比，蒙特卡羅Monte Carlo仿真因?yàn)槿≈颠x擇多，組合多，計(jì)算量明顯比多corner大。而前仿和后仿之間，后仿因涉及更多的物理參數(shù)，兩種算法的計(jì)算量都會(huì)呈幾何倍增長(zhǎng)，算力需求也更大。整體來(lái)說(shuō)，這兩種數(shù)值計(jì)算方法任務(wù)間獨(dú)立，算力需求大，是我們幫用戶提高效率的典型場(chǎng)景之一。

“大家來(lái)找茬”之版圖驗(yàn)證任務(wù)

版圖設(shè)計(jì)，就是把設(shè)計(jì)好的電路原理圖變成包含實(shí)際布局布線規(guī)劃內(nèi)容的掩模版圖，設(shè)計(jì)師每天在電路圖上畫花花綠綠的MOS管，確定要用多少元件、用哪種排列方法，在保證芯片電氣性能的前提下，怎么跨層使得芯片體積最小、最省錢。

版圖驗(yàn)證就是把畫好的版圖和原理圖進(jìn)行比對(duì)，確保兩者的拓?fù)溥B接關(guān)系一致，同時(shí)檢查版圖是否符合foundry的設(shè)計(jì)工藝。

版圖設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，就像是在玩一個(gè)“大家來(lái)找茬”的游戲，首先幾個(gè)版圖設(shè)計(jì)師先一起把這張圖分工合作給畫出來(lái)。到了版圖驗(yàn)證階段，就開始正式玩找茬游戲了。目的是檢查版圖有哪些地方不對(duì)，有問(wèn)題的話，打回去重新畫。畫完再繼續(xù)檢查，循環(huán)往復(fù)。

如果使用“小F影分身術(shù)”（版圖分割術(shù)），可以把小F分為9個(gè)影子，每個(gè)影子只需負(fù)責(zé)找茬九分之一個(gè)版圖，影分身的數(shù)量越多（版圖切割的任務(wù)數(shù)）越多，分配的資源數(shù)越多，單位效率越高（當(dāng)然，版圖大小有個(gè)物理上限，沒(méi)必要走極端）。

更重要的一點(diǎn)，切割版圖與找茬任務(wù)之間互不干擾，你改你的，我改我的。你改完了重新提交下一輪，也不影響我還在上一輪。中間也不用因?yàn)榈却９ぁ?/p>

切割版圖并合理分配資源的檢查方法，可以讓版圖設(shè)計(jì)師無(wú)需苦苦等待一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)單個(gè)大版圖各部分逐一檢查，而可以讓多臺(tái)計(jì)算機(jī)并行檢查同一張大版圖的不同部分，并自動(dòng)匯總結(jié)果。這樣一來(lái)就能更快地完成任務(wù)。

版圖、原理圖對(duì)比與設(shè)計(jì)規(guī)則檢查同屬檢查類任務(wù)，都是以模塊為單位，本質(zhì)上是數(shù)據(jù)對(duì)比工作、重內(nèi)存需求、子任務(wù)間沒(méi)有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，是一種高并行度任務(wù)。因此這一階段很適合在云上使用內(nèi)存優(yōu)化型資源，通過(guò)暴力堆資源的方式快速完成任務(wù)。

模擬電路王冠上的明珠--射頻電路

射頻芯片作為模擬電路王冠上的明珠，一直被認(rèn)為是芯片設(shè)計(jì)中的“華山之巔”。

一方面因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/520517.html">射頻電路的物理形狀和周圍介質(zhì)分布會(huì)對(duì)射頻信號(hào)的傳輸造成很大影響，因此設(shè)計(jì)之路十分困難，前期需要進(jìn)行大量仿真測(cè)試，而且為了保證高頻性能，材料的選取也十分講究，比如砷化鎵和氮化鎵。

另一方面，為了保證射頻芯片各類指標(biāo)的性能均衡，很多指標(biāo)的性能要求都需要挑戰(zhàn)工藝極限或設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的電路結(jié)構(gòu)，十分考驗(yàn)工程師的經(jīng)驗(yàn)積累。

而射頻需要使用電磁場(chǎng)仿真，需要計(jì)算三維空間向量。如果說(shuō)版圖是將二維世界切成一片片的，那射頻就是將立體空間切成一粒粒的，當(dāng)然更具挑戰(zhàn)性，算力需求也會(huì)呈指數(shù)級(jí)增加。

當(dāng)遇到CPU無(wú)法滿足的情況，不妨嘗試使用GPU處理，他們可是處理向量計(jì)算的一把好手。

目前射頻電路電磁場(chǎng)仿真的三種常用軟件分別為：HFSS、EMX、ADS。

HFSS處理智能制造/汽車制造場(chǎng)景下的電磁場(chǎng)仿真較多、也支持部分芯片設(shè)計(jì)場(chǎng)景，EMX和ADS處理芯片設(shè)計(jì)場(chǎng)景的電磁場(chǎng)仿真更為廣泛。其中，HFSS和19版之后的ADS支持GPU處理電磁場(chǎng)仿真任務(wù)，且通過(guò)并行化處理后，效率提升十分顯著；EMX作為Cadence里的萬(wàn)能插件暫不支持GPU任務(wù)。

關(guān)于計(jì)算量級(jí)的本質(zhì)

單模塊、多模塊和top級(jí)任務(wù)是三種計(jì)算量級(jí)的任務(wù)，從字面上就能猜到單模塊任務(wù)，計(jì)算量最少；以此遞增，top級(jí)任務(wù)計(jì)算量最多。

單模塊任務(wù)指的是單一模塊的任務(wù)，比如單層上的某個(gè)元器件就是一個(gè)單模塊任務(wù)，計(jì)算量級(jí)最小，可能可以繼續(xù)拆，也可能是最小不可拆分任務(wù)；

多模塊任務(wù)指的是多個(gè)單模塊合并在一起的任務(wù)，比如一層上的多個(gè)元器件組合在一起的模塊，計(jì)算量級(jí)中等，可將多個(gè)模塊拆分進(jìn)行多線程處理；top級(jí)任務(wù)，字如其名，是整個(gè)芯片設(shè)計(jì)階段最大規(guī)模的仿真，將整個(gè)芯片的全部功能模塊聚在一起，做全功能驗(yàn)證。top級(jí)仿真是在頂視圖下的一整套前仿或后仿，算力需求最高。

如果涉及到先進(jìn)工藝（28nm以下芯片），更小的空間，更多的模塊，更復(fù)雜的PDK工藝庫(kù)，計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。而且先進(jìn)制程芯片后仿時(shí)還要做IR Drop的獨(dú)立性檢查，是SignOff的一個(gè)必要步驟。業(yè)內(nèi)在該步驟使用的工具大多為Redhawk，和DRC/LVS的算法流程基本一致。

關(guān)于模擬IC設(shè)計(jì)，從不同設(shè)計(jì)階段的計(jì)算任務(wù)視角出發(fā)，我們總結(jié)了三點(diǎn)：

1、三大階段的算力需求呈現(xiàn)前期<中期<后期的趨勢(shì)。和波谷相比，峰值算力最高可達(dá)到百萬(wàn)級(jí)別，使用彈性云端資源可以高效且動(dòng)態(tài)地滿足峰值需求；

2、多corner、蒙特卡羅Monte Carlo以及DRC、LVS這類任務(wù)，非常適合直接用多機(jī)并行來(lái)提升任務(wù)效率；

3、基于單模塊不可拆的任務(wù)，雖不能做到多機(jī)分布式處理，但可以通過(guò)上大內(nèi)存、高主頻機(jī)型，靠機(jī)器的性能實(shí)現(xiàn)任務(wù)效率的提升。

說(shuō)到這，模擬IC篇就結(jié)束啦，敬請(qǐng)期待我們的第二集--數(shù)字IC！