后端設(shè)計(jì)是個(gè)啥？

最近的私信咨詢里，很多同學(xué)分不清數(shù)字IC設(shè)計(jì)前端和后端的區(qū)別，前端設(shè)計(jì)似乎很容易理解，簡(jiǎn)單來說就是敲代碼的，只不過沒有用C++和python，用的是硬件描述語(yǔ)言Verilog。

但一說到后端設(shè)計(jì)，很多同學(xué)就懵了，邏輯綜合，布局布線，這都什么意思？

甚至有些人一聽到后端就以為是做工藝的。（后端設(shè)計(jì)：“你禮貌嗎？”）

從薪資待遇上來說，數(shù)字IC的三個(gè)崗位（前端設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、后端設(shè)計(jì)）其實(shí)是相差不大的，只是有些同學(xué)因?yàn)橐恢虢獾木壒?，原本更適合做后端，卻草草選了驗(yàn)證。

所以今天我們來重點(diǎn)說一下后端設(shè)計(jì)的職能要求和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，希望能夠讓各位同學(xué)清楚了解到后端設(shè)計(jì)到底是在做哪些工作！

01職能要求

首先作為后端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的我們，主要工作就是將前端設(shè)計(jì)的RTL代碼轉(zhuǎn)化成門級(jí)網(wǎng)表，最終生成GDSⅡ文件，到這里就可以拿到工廠進(jìn)行流片生產(chǎn)了。

而后端所起的價(jià)值，就是在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，盡可能通過自己的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來加速設(shè)計(jì)的迭代，加快項(xiàng)目的進(jìn)展，但是在每個(gè)階段又分很多不同的努力。   大公司對(duì)于前后端的分工較為明確，各司其職。但是也有一些設(shè)計(jì)公司，給后端設(shè)計(jì)者們的是rtl的代碼和基本的約束，需要我們自己去做邏輯綜合。這里分為兩種工具，分別是Synopsys的DC和Cadence的Gunus。

通過綜合，我們可以得到后端設(shè)計(jì)的必需元素之一，網(wǎng)表。關(guān)于邏輯綜合，這里后續(xù)我們會(huì)展開來說。

一般來說，我們得到一個(gè)滿足要求的網(wǎng)表之后，就可以進(jìn)行后續(xù)的PD工作了(physical design ，物理設(shè)計(jì)。關(guān)于設(shè)計(jì)中常用的縮寫及介紹后續(xù)也會(huì)有專門的名詞解釋模塊，幫助各位更快融入設(shè)計(jì))

接下來進(jìn)入主要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，主要的設(shè)計(jì)工具分為兩種，分別是Synopsys的ICC2和Cadence的Innovus。

02設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

后端設(shè)計(jì)就是從輸入網(wǎng)表到輸出GDSII文件的過程：主要分為以下六個(gè)步驟：

1.邏輯綜合

邏輯綜合就是把HDL代碼翻譯成門級(jí)網(wǎng)表netlist。

綜合需要設(shè)定約束條件，就是你希望綜合出來的電路在面積，時(shí)序等目標(biāo)參數(shù)上達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。邏輯綜合需要基于特定的綜合庫(kù)，不同的庫(kù)中，門電路基本標(biāo)準(zhǔn)單元（standard cell）的面積，時(shí)序參數(shù)是不一樣的。所以，綜合庫(kù)不一樣，綜合出來的電路在時(shí)序，面積上是有差異的。一般來說，綜合完成后需要再次做仿真驗(yàn)證（這個(gè)也稱為后仿真）

2. 形式驗(yàn)證

驗(yàn)證芯片功能的一致性

不驗(yàn)證電路本身的正確性

每次電路改變后都需驗(yàn)證

形式驗(yàn)證的意義在于保障芯片設(shè)計(jì)的一致性，一般在邏輯綜合，布局布線完成后必須做。

工具：synopsys Formality

3. 物理實(shí)現(xiàn)

物理實(shí)現(xiàn)可以分為三個(gè)部分:

布圖規(guī)劃floor plan

布圖規(guī)劃是整個(gè)后端流程中最重要的一步，但也是彈性最大的一步。因?yàn)闆]有標(biāo)準(zhǔn)的最佳方案，但又有很多細(xì)節(jié)需要考量。

布局布線的目標(biāo)：優(yōu)化芯片的面積，時(shí)序收斂，穩(wěn)定，方便走線。

工具：IC compiler，Encounter

布局（place）

布局即擺放標(biāo)準(zhǔn)單元，I/O pad，宏單元來實(shí)現(xiàn)個(gè)電路邏輯。

布局目標(biāo)：利用率越高越好，總線長(zhǎng)越短越好，時(shí)序越快越好。

但利用率越高，布線就越困難；總線長(zhǎng)越長(zhǎng)，時(shí)序就越慢。因此要做到以上三個(gè)參數(shù)的最佳平衡。

布線route

布線是指在滿足工藝規(guī)則和布線層數(shù)限制、線寬、線間距限制和各線網(wǎng)可靠絕緣的電性能約束條件下，根據(jù)電路的連接關(guān)系，將各單元和I/O pad用互連線連接起來。

4. 時(shí)鐘樹綜合——CTS

Clock Tree Synthesis，時(shí)鐘樹綜合，簡(jiǎn)單點(diǎn)說就是時(shí)鐘的布線。

由于時(shí)鐘信號(hào)在數(shù)字芯片的全局指揮作用，它的分布應(yīng)該是對(duì)稱式的連到各個(gè)寄存器單元，從而使時(shí)鐘從同一個(gè)時(shí)鐘源到達(dá)各個(gè)寄存器時(shí)，時(shí)鐘延遲差異最小。這也是為什么時(shí)鐘信號(hào)需要單獨(dú)布線的原因。

5. 寄生參數(shù)提取

由于導(dǎo)線本身存在的電阻，相鄰導(dǎo)線之間的互感,耦合電容在芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生信號(hào)噪聲，串?dāng)_和反射。這些效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題，導(dǎo)致信號(hào)電壓波動(dòng)和變化，如果嚴(yán)重就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真錯(cuò)誤。提取寄生參數(shù)進(jìn)行再次的分析驗(yàn)證，分析信號(hào)完整性問題是非常重要的。

工具Synopsys的Star-RCXT

6.版圖物理驗(yàn)證

這一環(huán)節(jié)是對(duì)完成布線的物理版圖進(jìn)行功能和時(shí)序上的驗(yàn)證，大概包含以下方面：

LVS（Layout Vs Schematic）驗(yàn)證：簡(jiǎn)單說，就是版圖與邏輯綜合后的門級(jí)電路圖的對(duì)比驗(yàn)證；

DRC（Design Rule Checking）：設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，檢查連線間距，連線寬度等是否滿足工藝要求；

ERC（Electrical Rule Checking）：電氣規(guī)則檢查，檢查短路和開路等電氣規(guī)則違例；

實(shí)際的后端流程還包括電路功耗分析，以及隨著制造工藝不斷進(jìn)步產(chǎn)生的DFM（可制造性設(shè)計(jì)）問題等。

物理版圖以GDSII的文件格式交給芯片代工廠（稱為Foundry）在晶圓硅片上做出實(shí)際的電路。

最后進(jìn)行封裝和測(cè)試，就得到了我們實(shí)際看見的芯片。

設(shè)計(jì)過程的大致步驟基本如上。但是對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，同時(shí)，工具的操作并不一定，或者說大概率會(huì)存在問題。所以后續(xù)還需要設(shè)計(jì)者進(jìn)行手動(dòng)的操作。主要包括像時(shí)序的修復(fù)，drc，lvs的修復(fù)等等。后續(xù)將對(duì)設(shè)計(jì)后期的一些進(jìn)行詳細(xì)的說明。

以上內(nèi)容即是對(duì)后端設(shè)計(jì)的大體描述了，可能在某些小白同學(xué)看來還是有些似懂非懂，但在有一定數(shù)電模電基礎(chǔ)后，了解芯片設(shè)計(jì)全流程的內(nèi)容之后，就會(huì)有豁然開朗的感覺。