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问题

一个芯片产品从构想到完成电路设计是怎样的过程？

回答
好的，咱们就来聊聊一个芯片产品，从那灵光一闪的念头，到最终能在电路板上闪烁出规律的信号，这中间到底经历了哪些复杂而又迷人的过程。这可不是三两句话就能概括完的，里头有技术，有艺术，更有无数工程师的汗水和智慧。

第一步：灵感的火花与市场的洞察——“我要做什么？”

一切的起点，总是源于一个需求，或者一个大胆的设想。可能是为了让手机更省电，续航更长；可能是为了让自动驾驶系统更精准，反应更快；也可能是为了实现某种全新的功能，比如更逼真的VR体验。

这个阶段，更像是“市场调研”和“产品定义”的结合。工程师们会和产品经理、市场分析师们一起，深入研究用户痛点，分析竞争对手，预测未来趋势。他们会问很多问题：

“我们想解决什么问题？”
“目标用户是谁？他们的需求有多迫切？”
“这个芯片的市场有多大？能卖多少钱？”
“现有的解决方案有哪些不足？”
“我们要实现哪些核心功能？性能指标是什么？”

通过反复的讨论和头脑风暴，最终会形成一个初步的“产品规格书”或者“概念设计”。它会勾勒出这个芯片大概的功能、性能、功耗、成本等关键要素，就像一幅模糊的蓝图，但已经有了方向。

第二步：架构设计——“如何去实现？”

有了明确的目标，接下来就要思考“骨架”了。这就像是要造一栋大楼，你得先知道它有多少层，每层的功能是什么，承重墙在哪里。

架构师们会根据产品规格，将整个芯片的功能分解成一个个模块。比如，一个处理器芯片，可能会有CPU核心、GPU核心、内存控制器、I/O接口、电源管理单元等等。

在这个阶段，会做出一系列关键决策：

选择核心架构： 是用ARM的公版架构，还是自己设计指令集？
确定总线协议： 不同模块之间如何通信？用什么标准？
划分功能区域： 哪些功能放在CPU里？哪些放在专用的加速器里？
考虑性能与功耗的平衡： 如何在满足性能需求的同时，尽量降低功耗？
规划存储器层次： Cache有多大？主存容量多少？
设计接口和协议： 如何与其他芯片或设备连接？

这个阶段的产出，可能是一系列的框图、数据流图、状态机图，以及对各个模块的详细功能描述。它已经有了清晰的“结构”，但还没有“血肉”。

第三步：逻辑设计（RTL设计）——“把想法变成代码！”

终于要进入“实干”环节了。前面的架构设计是“想法”，现在要用一种计算机能理解的语言，把这些想法具体化。这就是所谓的“RTL（Register Transfer Level）设计”。

工程师们会使用一种硬件描述语言（HDL），最常见的有Verilog和VHDL，来描述芯片的逻辑功能。你可以想象成，他们在用一种特殊的“编程语言”来告诉芯片：“当收到这个信号时，你要做这个运算，然后把结果存到那个寄存器里。”

这个过程就像是在为CPU写一套指令集，为GPU写渲染流程，为内存控制器写访问时序。每一个小小的功能模块，都要用HDL代码一行一行地实现。

编写模块： 将架构设计的各个模块，用HDL代码精确描述。
实例化和连接： 将写好的模块像搭积木一样组合起来，并用总线连接起来。
时序和同步： 确保所有操作都在正确的时钟周期内完成，避免出现数据错误。
代码检查和模拟： 这是非常重要的一步。通过仿真器（Simulator），在软件层面验证RTL代码的功能是否符合预期。会编写大量的测试向量（Testbench），来模拟各种工作场景。

这个阶段的产出，是一堆堆的HDL代码文件，它们构成了芯片的“血液循环”和“神经系统”。

第四步：验证——“代码有没有BUG？”

如果你认为RTL设计完成后就可以直接制造了，那就太天真了。硬件设计一旦制造出来，就很难更改了，成本非常高昂。所以，“验证”在芯片设计流程中占据了极其重要的地位，甚至可以说比设计本身更耗时、更烧钱。

验证工程师的职责，就是用各种手段，把RTL代码里的“Bug”找出来。他们会：

功能验证： 编写更复杂的测试用例，模拟各种边界条件、异常情况，确保芯片的功能完全正确。
性能验证： 检查芯片的实际性能是否能达到设计目标，例如时钟频率、数据吞吐量等。
功耗验证： 评估芯片在不同工作模式下的功耗，看是否符合要求。
形式验证： 利用数学方法，在不运行仿真的情况下，严格证明RTL代码的某些特性。
覆盖率分析： 衡量测试用例是否覆盖了代码的各个部分，确保没有遗漏。

验证的手段非常多样，从简单的仿真测试，到复杂的UVM（Universal Verification Methodology）验证平台，再到使用FPGA（FieldProgrammable Gate Array）进行硬件原型验证，力求把所有潜在的问题扼杀在摇篮里。

第五步：综合（Synthesis）——“将代码变成电路！”

当RTL代码经过充分验证，确定没有大的功能性错误后，就可以进入“综合”阶段了。这个阶段，是将HDL代码转换成物理上可实现的“门级网表”（Gatelevel Netlist）。

想象一下，HDL代码描述的是“你想做什么”，而门级网表描述的是“你需要用哪些逻辑门（AND、OR、NOT等）和触发器来做这件事”。

综合工具（Synthesizer）会读取HDL代码和一系列“标准单元库”（Standard Cell Library）。这个库里包含了各种逻辑门、触发器等基本电路单元的物理特性（面积、延迟、功耗）。

综合工具会根据设计目标（如最高时钟频率、最小面积、最低功耗），将HDL代码中的逻辑功能，映射到标准单元库中的具体电路单元，并将它们连接起来，形成一个门级网表。

逻辑综合： 将HDL代码转换成逻辑门和触发器的组合。
时序约束： 告诉综合工具，芯片的时钟频率是多少，要求哪些路径的延迟要满足什么条件。
优化： 综合工具会根据约束，对生成的逻辑进行优化，以满足性能、面积、功耗的要求。

这个阶段的产出，是一份庞大的门级网表文件，它就像是芯片的“蓝图”，但还没有最终的物理布局。

第六步：物理设计（Layout）——“将电路图变成物理版图！”

这是将逻辑设计转化为实际物理实现的关键一步，也是芯片制造的“前置环节”。物理设计工程师会接手门级网表，并将其转化为可以在晶圆上制造的物理版图。这个过程通常包括：

布局（Placement）： 将门级网表中的每一个逻辑门和触发器，在芯片的物理区域内找到一个合适的位置。这就像在有限的棋盘上摆放无数的棋子，既要考虑连接的方便性，也要考虑信号的延迟和功耗。
布线（Routing）： 在摆放好的各个单元之间，画出金属连线，将它们连接起来，形成完整的电路。这就像在城市里铺设错综复杂的道路网络，需要考虑路径的长度、信号的干扰、电源的分配等等。
时钟树综合（Clock Tree Synthesis CTS）： 专门处理时钟信号的布线，确保时钟信号能以尽可能一致的时间到达芯片中的所有时序单元，这是保证芯片稳定运行的关键。
电源和地网格（Power and Ground Grid）： 为芯片的所有单元提供稳定可靠的电源和地线。
物理验证（Physical Verification）： 在完成布局布线后，还需要进行一系列的物理验证，确保生成的版图符合制造工艺的规则，例如：
DRC（Design Rule Check）： 检查版图是否符合制造工艺的各项物理规则（如线宽、线距、孔径等），防止制造缺陷。
LVS（Layout Versus Schematic）： 验证物理版图中的电路连接关系是否与之前的门级网表完全一致，确保没有在物理实现过程中引入错误。

这个阶段的产出，是一整套的“GDSII”文件，这是一种标准的图形数据库文件格式，包含了芯片所有物理层的信息，可以交给晶圆厂进行制造。

第七步：流片（Tapeout）与晶圆制造——“送去工厂，做出真正的芯片！”

当所有设计和验证都完成后，并且物理验证也通过了，工程师们就可以怀着激动又忐忑的心情，将GDSII文件“送去流片”（Tapeout）。

“流片”这个词，源自早期磁带（Tape）存储设计数据，然后“out”给工厂。如今虽然数据传递方式发生了巨大变化，但这个词仍然沿用。

GDSII文件会被发送给芯片制造厂（Foundry）。晶圆厂会根据这些文件，使用极其复杂的半导体制造工艺（如光刻、刻蚀、沉积等），在一块块硅晶圆上，一层一层地“雕刻”出数以亿计的微小晶体管和连接线，最终形成一个个功能芯片。

这个过程极其漫长且精密，周期可能长达数周甚至数月。

第八步：封装与测试——“包装起来，确保能用！”

晶圆制造完成后，上面会有许多独立的芯片。接下来的步骤是将这些独立的芯片进行“封装”和“测试”。

晶圆测试（Wafer Sort）： 在晶圆状态下，会使用专门的测试设备，对每一个芯片进行初步的电性能测试，找出不合格的芯片并标记出来。
切割（Dicing）： 将晶圆切割成一个个独立的芯片（Die）。
封装（Packaging）： 将合格的芯片 Die 放到封装厂，通过键合线（Wire Bonding）或倒装（FlipChip）等技术，将其连接到引脚（Leads）或球栅阵列（BGA），并用塑料或陶瓷材料进行保护。封装的目的是为了方便芯片的安装和连接，同时保护芯片不受物理损坏和环境影响。
成品测试（Final Test）： 封装完成后，会再次对成品芯片进行更全面的功能、性能、功耗等测试，以确保每个出厂的芯片都符合规格要求。

第九步：产品发布与迭代——“让它走向市场，并继续改进！”

通过了严格的测试，合格的芯片就可以批量生产，并最终安装到产品中，走向市场了。

但芯片的生命周期并没有因此结束。工程师们会根据市场反馈、用户报告以及新的技术发展，持续对产品进行优化和改进。可能是在下一代产品中改进性能，降低功耗，增加新功能，或者修复在实际使用中发现的微小问题。

总结一下这个漫长的旅程：

从一个模糊的概念，到最终能够稳定工作的实体芯片，这是一个高度复杂、多学科交叉、充满挑战的过程。它包含了市场洞察、架构设计、逻辑编程（RTL）、软件验证、逻辑综合、物理设计、制造工艺、封装测试等一系列环节。每一个环节都离不开大量工程师的辛勤付出和精益求精。

而在这个过程中，每一个决定都可能对最终产品的性能、成本、功耗产生深远影响。所以，这不仅仅是技术实现，更是一场严谨的科学与艺术的结合。

希望这个详细的描述，能让你对芯片从构想到完成电路设计的全过程有一个更深入的了解。

网友意见

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全文2600字，看懂芯片设计，了解芯片行业，看本回答就够了！

一颗芯片从无到有，从有需求到最终应用，经历的是一个漫长的过程，作为人类科技巅峰之一的芯片，凝聚了人们的智慧，而芯片产业链也是极其复杂的，在此，我大致把它归为四个部分（市场需求--芯片设计--芯片制造--测试封装），然后再一一的做详细介绍。

市场需求

这个无需多讲，目前芯片应用已经渗透到我们生活的方方面面，早晨上班骑的共享单车，到公司刷的IC卡，工作时偷偷地打游戏，手机卡了还要换更快的手机，可以说IC的市场需求一直都在。

（注：以下图片部分来自网络，侵删）

芯片设计

芯片设计又可以分为两部分，芯片前端设计和芯片后端设计，整体流程如下图：

芯片前端设计

前端设计也就是从输入需求到输出网表的过程：主要分为以下六个步骤：

  1. RTL设计
  2. 验证
  3. 静态时序分析
  4. 覆盖率
  5. ASIC逻辑综合

时序分析和验证时出现的错误可能需要反复重做前面几步才能解决，是一个多次迭代优化的过程。

下面我来仔细介绍一下这六个步骤。

1、RTL设计

在设计之前我们先要确定芯片的工艺，比如是选择TSMC还是SMIC，是7nm，还是5nm，而工艺的选择也是受很多因素的制约（如下图），而芯片工艺的选择，就是对这些因素的权衡。

IC设计的第一步就是制定Spec，这个步骤就像是在设计建筑前，要先画好图纸一样，在确定好所有的功能之后在进行设计，这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类似的步骤，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。

而用RTL实现的各种功能模块，来组成一个实现具体功能的IP，SOC芯片最终由SOC integration工程师把各个IP集成到一起。

IP又分为模拟IP和数字IP，大概可以做如下的分类：

在芯片功能设计完备后，我们还要做可测性设计DFT（Design For Test）。

关于DFT的具体介绍，请直达以下两个传送门：

RTL设计最后要做的就是代码的设计规则检查。

通过lint, Spyglass等工具，针对电路进行设计规则检查，包括代码编写风格，DFT，命名规则和电路综合相关规则等。

2、验证

验证是保证芯片功能正确性和完整性最重要的一环。验证的工作量也是占整个芯片开发周期的50%-70%，相应的，验证工程师与设计工程师的数量大概在2-3:1。

从验证的层次可以分位：模块级验证，子系统级验证和系统级验证。

从验证的途径可以分为：模拟（simulation），仿真和形式验证（formality check）。

3、静态时序分析（STA）

静态时序分析是套用特定的时序模型（timing model）,针对特定电路，分析其是否违反designer给定的时序限制（timing constraint）。

目前主流的STA工具是synopsys的Prime Time。

静态时序分析的作用：

  1. 确定芯片最高工作频率

通过时序分析可以控制工程的综合、映射、布局布线等环节，减少延迟，从而尽可能提高工作频率。

2. 检查时序约束是否满足

可以通过时序分析来查看目标模块是否满足约束，如不满足，可以定位到不满足约束的部分，并给出具体原因，进一步修改程序直至满足要求。

3. 分析时钟质量

时钟存在抖动、偏移、占空比失真等不可避免的缺陷。通过时序分析可以验证其对目标模块的影响。

4、覆盖率

覆盖率作为一种判断验证充分性的手段，已成为验证工作的主导。

从目标上，可以把覆盖率分为两类：

  • 代码覆盖率

作用：检查代码是否冗余，设计要点是否遍历完全。

检查对象：RTL代码

  • 功能覆盖率

作用：检查功能是否遍历

检查对象：自定义的container

在设计完成时，要进行代码覆盖率充分性的sign-off, 对于覆盖率未达到100%的情况，要给出合理的解释，保证不影响芯片的工能。

5、ASIC综合

逻辑综合的结果就是把设计实现的RTL代码翻译成门级网表（netlist）的过程。

在做综合时要设定约束条件，如电路面积、时序要求等目标参数。

工具：synopsys的Design compiler, 综合后把网表交给后端。

至此我们前端的工作就结束啦，看到这里我先给各位看官个赞！

芯片后端设计

后端设计也就是从输入网表到输出GDSII文件的过程：主要分为以下六个步骤：

  1. 逻辑综合
  2. 形式验证
  3. 物理实现
  4. 时钟树综合-CTS
  5. 寄生参数提取
  6. 版图物理验证

1.逻辑综合

在前端最后一步已经讲过了，在此不做赘述。

2. 形式验证

  • 验证芯片功能的一致性
  • 不验证电路本身的正确性
  • 每次电路改变后都需验证

形式验证的意义在于保障芯片设计的一致性，一般在逻辑综合，布局布线完成后必须做。

工具：synopsys Formality


4. 物理实现

物理实现可以分为三个部分:

布局规划 floor plan

布局 place

布线 route

1、布图规划floor plan

布图规划是整个后端流程中作重要的一步，但也是弹性最大的一步。因为没有标准的最佳方案，但又有很多细节需要考量。

布局布线的目标：优化芯片的面积，时序收敛，稳定，方便走线。

工具：IC compiler，Encounter

布图规划完成效果图：

2、布局

布局即摆放标准单元，I/O pad，宏单元来实现个电路逻辑。

布局目标：利用率越高越好，总线长越短越好，时序越快越好。

但利用率越高，布线就越困难；总线长越长，时序就越慢。因此要做到以上三个参数的最佳平衡。

布局完成效果图：

3、布线

布线是指在满足工艺规则和布线层数限制、线宽、线间距限制和各线网可靠绝缘的电性能约束条件下，根据电路的连接关系，将各单元和I/O pad用互连线连接起来。

4. 时钟树综合——CTS
Clock Tree Synthesis，时钟树综合，简单点说就是时钟的布线。

由于时钟信号在数字芯片的全局指挥作用，它的分布应该是对称式的连到各个寄存器单元，从而使时钟从同一个时钟源到达各个寄存器时，时钟延迟差异最小。这也是为什么时钟信号需要单独布线的原因。

5. 寄生参数提取
由于导线本身存在的电阻，相邻导线之间的互感,耦合电容在芯片内部会产生信号噪声，串扰和反射。这些效应会产生信号完整性问题，导致信号电压波动和变化，如果严重就会导致信号失真错误。提取寄生参数进行再次的分析验证，分析信号完整性问题是非常重要的。

工具Synopsys的Star-RCXT

6.版图物理验证

这一环节是对完成布线的物理版图进行功能和时序上的验证，大概包含以下方面：

LVS（Layout Vs Schematic）验证：简单说，就是版图与逻辑综合后的门级电路图的对比验证；

DRC（Design Rule Checking）：设计规则检查，检查连线间距，连线宽度等是否满足工艺要求；

ERC（Electrical Rule Checking）：电气规则检查，检查短路和开路等电气规则违例；

实际的后端流程还包括电路功耗分析，以及随着制造工艺不断进步产生的DFM（可制造性设计）问题等。

物理版图以GDSII的文件格式交给芯片代工厂（称为Foundry）在晶圆硅片上做出实际的电路。

最后进行封装和测试，就得到了我们实际看见的芯片。

芯片设计的流程是纷繁复杂的，从设计到流片耗时长（一年甚至更久），流片成本高，一旦发现问题还要迭代之前的某些过程。

最后给看到这里的ICer点个赞！

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