總結數字電路設計的一般方法？

我來自西北工業大學計算機學院微電子研究所。現在我是微電子學院一年級的學生。我的專業是數字集成電路設計。研究生一上學期，掌握了數字集成電路后端綜合設計方法。本學術素養課程報告主要探討了實現后端過程中的方法、經驗和相關感悟。

一般來說，軟件工程師和硬件工程師的需求量都是10:1，也就是說硬件工程師的需求量遠遠小于軟件工程師。硬件工程師分為模擬和數字。模擬集成電路設計主要包括ADC、DAC、PLL等。，而數字集成電路設計更傾向于實現特定功能的芯片，如CPU、GPU、MCU、MPU、DSP等。

事實上，在這個階段，數字集成電路的設計方法已經非常類似于借助EDA工具進行軟件開發。典型的數字集成電路開發一般包括以下步驟:

1.根據需求，自上而下設計電路模塊，明確數字系統需要實現哪些功能，再細分成各個功能模塊。這時候的設計形式一般是框圖，用visio或者其他繪圖軟件實現。這個環節雖然松散，但是很重要，因為在根據需求設計大模塊和指標的時候，一定要結合實際情況，否則后期會經過無限的返工，甚至達不到預定的指標。一般由德高望重、經驗豐富的工程師進行整體設計。

2.定義好每個模塊之后，接下來就是實現每個模塊的功能。由于硬件描述語言的存在，我們可以很容易地"寫作與寫作通過硬件描述語言的模塊實現方法。在這個實驗中，我使用了VerilogHDL。特定代碼的復雜性與模塊的復雜性有關。在這個實驗中，我采用了"八位格雷碼計數器"。

3.在完成了"八位格雷碼計數器"，有必要"預模擬和模擬設計。所謂預仿真，主要是驗證代碼描述是否正確，計劃的功能是否真正實現。一般使用modelsim軟件進行仿真。如果模擬成功，將進入下一階段。如果不成功，它將需要返回到修改后的代碼。

4.預仿真成功后，即可得到功能正確的Verilog設計代碼。此時可以將代碼下載到FPGA板上進行驗證(JTAGQuartus)，證明設計是正確的。對于一些集成度要求不高，時間非常緊的數字電路設計項目，可以直接用FPGA實現芯片功能。顯然，FPGA這種通用器件可以不能滿足ASIC高集成度、低功耗、高專用性的設計要求，只能用于相對簡單粗糙的設計。

5.接下來，進入后端流程。這時候就需要專用的服務器和昂貴的ed。工具支架。這也是硬件設計入門難的原因之一。如果一個沒有接觸過軟件編程的有志青年立志做軟件工程，一般一臺電腦一本書就夠了，最多買個正版編譯器(VS，Eclipse，DW等。)，但是做硬件電路設計，一臺電腦一本書最多能畫PCB。要做核心部分，我們必須使用強大的服務器和昂貴的EDA工具，因為普通PC可以無法承擔的工作需求后端集成"。而且linux下大量復雜的操作會讓人望而卻步。

6.在后端平臺準備好之后，您可以將"八位格雷碼計數器"進了站臺。這時候應該馬上考慮什么組件庫和流程？因為同一個與非門，不同的元件庫有不同的實現細節，MOS管的細節可能差別很大。另外，一定要考慮流程。這些工藝文件來自相關制造商(TSMC、CSMS等)。)，這也是個人能夠不要做后臺——因為你幾乎不可能以自己的名義與TSMC討論工藝庫文件。畢竟，作為一個沒有經驗，沒有錢和技能的初學者，你可以不自信，有幾萬人。仔細篩選后(很多情況下沒得選)，確定你要用的流程。在這個實驗中，我使用了我的高級實驗室改進的組件庫和TSMC0.18um技術，EDA工具是CadenceIC614。

7.經過一系列的配置后,"八位格雷碼計數器"已經變成了一個巨大的工程文件。我建議使用TCL腳本文件進行配置。然后可以進行RTL級合成。所謂RTL級合成其實指的是"重寫"Verilog代碼轉換成可以被合成工具識別的Verilog代碼(我用的是Encounter)。一般來說，這類似于翻譯"古典文學與藝術進入"白話文與漢語和"編譯與編輯在C語言中，就是把一種高級語言翻譯成匯編代碼。當然，理論上可以直接寫RTL級的代碼，但是和直接寫匯編語言一樣復雜。

8.RTL級合成完成后，將RTLVerilog導入到Encounter中進行真正的后端合成。導入RTL碼后，還需要解釋標準單元庫的LEF文件，定義電源和地的線名。這時候就需要一個MMMCconfig配置，過程比較復雜，主要是配置相關文件和設備狀態(TT、ss、FF等。).

9.完成導入配置，然后是芯片版圖設計，即布圖。Floorplan需要設置一些基本的參數，比如芯片的長寬(面積)，引腳留的空間，芯片利用率等等。長寬比建議0.2-5，復雜電路利用率0.85，一般電路利用率0.90，簡單電。道路利用率為0.95。

10.電力計算，電力線路排列的依據，主要為環形和條形。比如數字電路芯片功耗55mW，冗余增加到2倍左右。設計為100mW，電源為1.8V，電流約為60mA，即總供電線路為60U，如果每條線路為10u，則有六條供電線路，每側一條，中間四條。在遭遇中有一個特殊的接線配置器。接線后，可以先申請，再取消重復嘗試。

11.排列IO引腳。如果沒有提前導入IO，可以重新導入(TCL)或者自行調整。

12.前置，因為Verilog中往往有很多模塊，每個模塊對應一個布局模塊。布局時要注意一些布局原則。布局一般可以通過簡單的拖動來完成。"八位格雷碼計數器"只有一個模塊，所以它不不需要復雜的布局。

13.布局是一個不斷修改和改進的過程。放置是在前置后進行，然后是后置。布局之后，需要時鐘樹綜合(CTS)。時鐘樹綜合的目的是使每個信號在約束時間內傳輸到下一個順序單元，否則會影響芯片的主頻(主頻是設計前確定的指標)，然后在Post-CTS中調整不滿足時鐘約束的部分的布線。

14.布局后路由，即路由。特殊走線，需要先走線，再后置。這些步驟在某種程度上是"點擊按鈕"和"配置參數，但是后端合成一定要頭腦清醒，知道為什么要點擊這些按鈕，要配置什么參數。

15.經過多次迭代，配置好IO引腳后，就可以填充整張圖片，用各種金屬層覆蓋不用的區域。單人"八位格雷碼計數器"由于其結構簡單而具有較大的未覆蓋面積。

16.至此，Encounter中的后端綜合已經完成，網表可以導出為GDSII格式，為了檢查DRC和LVS，還需要"網表"轉換成示意圖格式。

17.將后端集成的GDSII文件導入Virtuoso。Virtuoso是一款模擬集成電路設計軟件。將GDSII文件導入該軟件有兩個主要目的。首先，你可以做"后期模擬與設計在Virtuoso中驗證概念芯片經過后端綜合的一系列流程后是否能達到設計要求。此時仿真已經考慮到了延遲、電阻、功耗等實際問題。如果模擬有問題，需要輸入。線路返工修改，如有必要，重新布局布線。在"后期模擬與設計通過后，芯片應由剛果共和國和LVS檢查。DRC是看是否符合所選工藝的要求，因為在實際情況下，有些理論值是不現實的，比如太細的導線無法制作，柵極間距過短可能導致短路，導線與各種金屬層之間的電容會影響電路功能。LVS是比較版圖和原理圖之間的拓撲關系是否不一致。第二，以后設計數模混合芯片時便于混合設計，因為模擬集成電路直接在Virtuoso中進行，最后可以將兩者結合起來設計數模混合集成電路。

18.檢驗后，您可以聯系工藝供應商進行加工，如TSMC。一般處理需要跟上企業的業務流程。大約一個月后，芯片加工完畢，然后進入測試階段。焊接，測試，驗證芯片指標，提出改進方案。

至此，一個數字集成電路從概念到實物的全過程已經完成，每一步都值得研究和回味。從24解碼器到復雜的CPU，過程基本相同。一個學期后的學習，我基本掌握了這個流程。未來我們會更加努力，在這個專業上繼續前進，培養核心競爭力。

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