趁著元旦假期，我們來(lái)捋一下芯片設(shè)計(jì)中的幾個(gè)基礎(chǔ)問題。
我們都知道，最近關(guān)于芯片設(shè)計(jì)與制造的話題，依然占據(jù)著人們的茶前飯后時(shí)間，敵人的圍追堵截，使我們丟棄幻想，奮起抗?fàn)帯Ｔ谖覀兊墓ぷ髦谢蛏钪校徽撎幱诎雽?dǎo)體行業(yè)的上游還是下游，對(duì)于芯片都無(wú)法避開，缺了它，我們寸步難行。
當(dāng)你在家開著空調(diào)，從冰箱里拿出一瓶冰可樂，葛優(yōu)躺拿著手機(jī)刷視頻時(shí)，你希望視頻流暢無(wú)卡頓。在這背后，是一群群芯片設(shè)計(jì)工程師、移動(dòng)通信工程師、網(wǎng)絡(luò)工程師、圖像處理工程師、芯片開發(fā)／驗(yàn)證工程師、芯片制造工程師、芯片封裝測(cè)試工程師．．．．．．日以繼夜奮斗的結(jié)果。
任何一款芯片的設(shè)計(jì)，都需要龐大的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)進(jìn)行密切合作共同完成。在芯片設(shè)計(jì)中，我們需要考慮眾多因素。那么，我們的腦海里在想些什么呢？
芯片邏輯開發(fā)工程師的三重境界：心中有電路，腦中有時(shí)序，手中有代碼。
如果我們?cè)谠O(shè)計(jì)中使用同步設(shè)計(jì)或任何IP，或最終確定體系結(jié)構(gòu)和微體系結(jié)構(gòu)，那么我們需要制定各種策略。以下列出了其中一部分：
設(shè)計(jì)的功能性和兼容性
并行性、并發(fā)性和流水線策略
外部IO和高速接口
設(shè)計(jì)的面積和初始門數(shù)估計(jì)
速度和最高頻率要求
功耗要求和使用低功耗設(shè)計(jì)
時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)和延遲
接口和IO延遲與建模策略
經(jīng)過(guò)以上考慮，由經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員組成的團(tuán)隊(duì)最終確定ASIC／ SOC 設(shè)計(jì)的架構(gòu)和微架構(gòu)。
為了便于理解架構(gòu)和項(xiàng)目研發(fā)，我們需要考慮的一些設(shè)計(jì)因素，主要有以下幾個(gè)方面。
01
時(shí)序參數(shù)
上升沿敏感觸發(fā)器的重要時(shí)序參數(shù)如圖1所示，它們是：
建立時(shí)間 （tsu）
保持時(shí)間（th）
觸發(fā)傳播延時(shí)（tpd）
建立時(shí)間（tsu）：在時(shí)鐘的有效邊沿到達(dá)之前，觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入應(yīng)該保持穩(wěn)定值的最小時(shí)間被稱為建立時(shí)間。
有效邊沿表示上升沿（正邊沿）靈敏的D觸發(fā)器從低電平到高電平的跳變，下降沿（負(fù)邊沿）靈敏的D觸發(fā)器從高電平到低電平的跳變。
在建立時(shí)間窗口期間，如果數(shù)據(jù)輸入從1到0或反之，那么觸發(fā)器輸出將是亞穩(wěn)態(tài)的，這表明存在建立違例。
保持時(shí)間（th）：觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入在時(shí)鐘有效邊沿到達(dá)后保持穩(wěn)定的最小時(shí)間，稱為保持時(shí)間。
有效邊沿表示上升沿（正邊沿）靈敏的D觸發(fā)器從低到高的跳變，下降沿（負(fù)邊沿）靈敏的D觸發(fā)器從高到低的跳變。
在保持時(shí)間窗口期間，如果數(shù)據(jù)輸入從1到0或反之，那么觸發(fā)器輸出將是亞穩(wěn)態(tài)的，這表明存在保持違例。
觸發(fā)器的傳播時(shí)延（tpd＝tcq）：觸發(fā)器到達(dá)時(shí)鐘有效邊沿后產(chǎn)生有效輸出所需的時(shí)間，稱為觸發(fā)器的傳播時(shí)延。
傳播延遲也稱為時(shí)鐘到q端的延遲，也稱為tcq。
02
亞穩(wěn)態(tài)
如果將圖2所示設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)輸入連接到另一個(gè)模塊上，該模塊的時(shí)鐘由不同的時(shí)鐘源產(chǎn)生，則第一個(gè)觸發(fā)器輸出將處于亞穩(wěn)態(tài)。
meta＿data表示觸發(fā)器數(shù)據(jù)是亞穩(wěn)態(tài)的，因此第一個(gè)觸發(fā)器存時(shí)序違例。亞穩(wěn)態(tài)表明數(shù)據(jù)輸出是無(wú)效的，為了得到有效的數(shù)據(jù)輸出，設(shè)計(jì)需要使用多電平同步器。
所述第一觸發(fā)器所采樣的數(shù)據(jù)與所述第二觸發(fā)器的輸出的時(shí)序如圖3所示。如圖所示，第一個(gè)觸發(fā)器的輸出處于亞穩(wěn)態(tài)，輸出觸發(fā)器的data＿out輸出處于合法有效狀態(tài)。
03
時(shí)鐘偏斜
如果ASIC設(shè)計(jì)中有多個(gè)時(shí)鐘，那么時(shí)鐘分布和時(shí)鐘樹綜合將對(duì)平衡各塊不同時(shí)鐘輸入之間的時(shí)鐘偏斜起到非常重要的作用。
如果設(shè)計(jì)中的兩個(gè)不同的時(shí)鐘到達(dá)不同的時(shí)間實(shí)例，則設(shè)計(jì)具有時(shí)鐘偏斜。時(shí)鐘偏移的原因是路由延遲，即單時(shí)鐘域設(shè)計(jì)的線延遲。考慮所示的圖，讓我們考慮在發(fā)射觸發(fā)器的clk邊緣在時(shí)間實(shí)例t0到達(dá)，在時(shí)間實(shí)例t2捕獲觸發(fā)器。由于這個(gè)同步設(shè)計(jì)的時(shí)鐘到達(dá)時(shí)間不同，clk1和clk2之間存在相移，我們可以認(rèn)為這是時(shí)鐘偏移。另一個(gè)原因是振蕩器的老化；然后，振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘周期頻率變化，因此到達(dá)時(shí)間的差異可以稱為抖動(dòng)。
時(shí)鐘偏斜是由于clk1引腳和clk2引腳之間的互連延遲引起。
在實(shí)際的專用集成電路設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)歷了兩種不同類型的偏置，如圖5所示。
正時(shí)鐘偏移：表示先觸發(fā)發(fā)射時(shí)鐘clk1，再到達(dá)捕獲時(shí)鐘clk2。如圖中tskew，它是clk1和clk2到達(dá)時(shí)間的差值。換句話說(shuō)，我們可以想象正時(shí)鐘偏斜是數(shù)據(jù)和時(shí)鐘在相同的方向上運(yùn)行，正時(shí)鐘偏斜有利于建立時(shí)間，但對(duì)保持時(shí)間不好，因?yàn)橛姓膍argin來(lái)管理。
負(fù)時(shí)鐘偏移：最后觸發(fā)發(fā)射時(shí)鐘clk1，第一個(gè)觸發(fā)捕獲時(shí)鐘clk2。如圖中tskew，它是clk1和clk2到達(dá)時(shí)間的差值。換句話說(shuō)，我們可以想象負(fù)時(shí)鐘偏移是數(shù)據(jù)和時(shí)鐘在相反的方向上運(yùn)行，負(fù)時(shí)鐘偏移對(duì)保持時(shí)間更好，但對(duì)建立時(shí)間不好。
在ASIC設(shè)計(jì)中，我們總是會(huì)遇到由于抖動(dòng)或互連（即線延遲）而產(chǎn)生的時(shí)鐘偏斜，下面是我們應(yīng)該知道的要點(diǎn)。
正時(shí)鐘偏斜有利于建立時(shí)間，但不利于保持時(shí)間。
負(fù)時(shí)鐘偏斜有利于保持時(shí)間，但不利于建立時(shí)間。
正時(shí)鐘偏斜（positive clock skew）
如前面所討論的，正時(shí)鐘傾斜發(fā)射觸發(fā)器首先被觸發(fā)，然后在捕獲觸發(fā)器被捕獲。在發(fā)射時(shí)鐘和捕獲時(shí)鐘之間有緩沖延遲的裕度，可以用來(lái)提高設(shè)計(jì)所需的頻率。
讓我們找出所需的數(shù)據(jù)時(shí)間和數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間。
Data Arrival Time（AT）＝tpff1＋tcombo
Dara Required Time（RT）＝Tclk＋tbuffer－tsu
其中，Tclk是時(shí)鐘周期或時(shí)鐘到q端的延時(shí)。tbuffer是緩沖延時(shí)，tsu是觸發(fā)器建立時(shí)間，tpff1是觸發(fā)器傳播延時(shí)，tcombo是組合邏輯延時(shí)。
建立裕量（setup slack）是數(shù)據(jù)所需時(shí)間和數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間之間的差值，應(yīng)該為正。正的建立時(shí)間裕量表明設(shè)計(jì)中不存在任何建立違例。為了避免設(shè)計(jì)中的建立違例 ，設(shè)計(jì)應(yīng)該具有快速數(shù)據(jù)、快速啟動(dòng)時(shí)鐘（clk1）和慢捕獲時(shí)鐘（clk2）。也就是說(shuō)，與所需的數(shù)據(jù)時(shí)間相比，數(shù)據(jù)的實(shí)際到達(dá)應(yīng)該更快。（如圖7所示）
負(fù)時(shí)鐘偏斜（negative clock skew）
如前面所討論的，負(fù)時(shí)鐘偏斜，在發(fā)射觸發(fā)器最后觸發(fā)和捕獲觸發(fā)器首先被觸發(fā)。由于在觸發(fā)時(shí)鐘和捕獲時(shí)鐘之間有緩沖延遲的裕度，這降低了設(shè)計(jì)的最大頻率。。
讓我們找出所需的數(shù)據(jù)時(shí)間和數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間。
Data Arrival Time（AT）＝tbuffer＋tpff1＋tcombo
Dara Required Time（RT）＝Tclk－tsu
04
裕量（slack）
在ASIC設(shè)計(jì)中，有兩個(gè)術(shù)語(yǔ)用于描述裕量，即建立裕量（setup slack）和保持裕量（hold slack）。
建立裕量（setup slack）
建立裕量是數(shù)據(jù)所需時(shí)間和數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間之間的差值，應(yīng)該為正。正的建立裕量表明設(shè)計(jì)中不存在任何建立違例。
Data Arrival Time（AT）＝tbuffer＋tpff1＋tcombo
Dara Required Time（RT）＝Tclk－tsu
Setup Slack＝RT－AT
保持裕量（hold slack）
保持裕量是數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間和數(shù)據(jù)需要時(shí)間之間的差值，應(yīng)該是正的。正保持裕量表明在設(shè)計(jì)中沒有任何保持違例。
05 時(shí)鐘延遲
時(shí)鐘由鎖相環(huán)產(chǎn)生，用于單時(shí)鐘域設(shè)計(jì)，對(duì)于多個(gè)時(shí)鐘域，我們可能需要多個(gè)鎖相環(huán)。
時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)引入了延遲，它實(shí)際上是時(shí)鐘到達(dá)芯片所需的時(shí)間，時(shí)鐘延遲是由時(shí)鐘分布過(guò)程中的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)延遲造成的。
06
設(shè)計(jì)的面積
ASIC的總面積是由標(biāo)準(zhǔn)單元、宏和IP核組成的。在集成電路的百萬(wàn)或億門設(shè)計(jì)中，面積的限制和更好的布局規(guī)劃對(duì)獲得預(yù)期性能起著重要的作用。我們可以在不同的設(shè)計(jì)階段考慮面積優(yōu)化，例如：
在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)不同功能塊交互描述，獲取更好的策略。
在RTL設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用基于工具的指令和命令，并使用資源共享技術(shù)。
在版圖階段的物理設(shè)計(jì)中，通過(guò)策略來(lái)放置功能塊，最小化由于布線延遲和布線資源使用而造成的面積消耗。
07
速度要求
在ASIC設(shè)計(jì)中，速度是另一個(gè)重要的考慮因素。采用不同的速度改進(jìn)技術(shù)可以提高專用集成電路的性能。例如，考慮到處理器設(shè)計(jì)工作在500MHz的工作頻率，我們面臨著提高設(shè)計(jì)頻率的挑戰(zhàn)。在這種情況下，ASIC設(shè)計(jì)周期中可以使用各種策略，但可能很少使用：
在體系結(jié)構(gòu)和微體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，具有較好的順序邊界劃分。
在初始版圖中，相互依賴的塊可以彼此靠近地放置，以最小化面積，從而減少布線延遲，并提高速度。
在RTL設(shè)計(jì)階段，使用平衡寄存器和寄存器復(fù)制、優(yōu)化命令來(lái)提高設(shè)計(jì)性能。但它們可能會(huì)影響邏輯面積。
在RTL設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用寄存器的輸入和輸出，使設(shè)計(jì)具有更好的性能。
只要可行，就使用流水線的概念和體系結(jié)構(gòu)。
如果需要在設(shè)計(jì)中使用FSM設(shè)計(jì)和控制器，則嘗試在控制和數(shù)據(jù)路徑綜合方面進(jìn)行工作，以獲得干凈的時(shí)序和更好的性能。
盡量使用同步設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈儽犬惒皆O(shè)計(jì)更快。
盡量避免內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器；相反，考慮時(shí)鐘樹并在CTS期間優(yōu)化時(shí)鐘樹。
在布線階段，嘗試使用基于工具的改進(jìn)技術(shù)，因?yàn)閱⒂霉ぞ咧噶羁梢栽谄胶鈺r(shí)鐘偏斜方面發(fā)揮特別重要的作用。
08
功耗要求
對(duì)于任何類型的ASIC或SOC設(shè)計(jì)，重要的考慮是功率，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是減少泄漏和動(dòng)態(tài)功耗。在物理設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮功率約束進(jìn)行功率規(guī)劃。在ASIC設(shè)計(jì)流程的不同階段，應(yīng)采用功率優(yōu)化技術(shù)。
具有低功耗感知的ASIC架構(gòu)。
在不同的設(shè)計(jì)級(jí)別使用UPF。
在RTL期間，為了最小化動(dòng)態(tài)功率，使用專用的時(shí)鐘門控單元。
通過(guò)避免不必要的數(shù)據(jù)值分配和切換，還可以在RTL階段優(yōu)化功率。
在物理設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)多個(gè)功率域有更好的功率規(guī)劃和功率排序。
在物理設(shè)計(jì)過(guò)程中有較好的斷電策略。
09
設(shè)計(jì)約束
設(shè)計(jì)約束基本上是設(shè)計(jì)規(guī)則約束和優(yōu)化約束。我們可以將這些約束考慮為模塊級(jí)約束、頂層約束和芯片級(jí)約束。
設(shè)計(jì)規(guī)則約束（DRC）：我們可以將這些約束視為芯片制造商的規(guī)則，并應(yīng)予以滿足。在物理設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們將進(jìn)行芯片制造商的所有DRC檢查規(guī)則是否滿足。Layout is clean表示沒有DRC違規(guī)。這些約束主要是：
Transition
Fanout
Capacitance
優(yōu)化約束：這些約束在設(shè)計(jì)和優(yōu)化階段使用。這些約束主要是
Area
Speed
Power
主要使用Synopsys DC，我們將利用面積和速度約束，并將在各個(gè)優(yōu)化階段嘗試優(yōu)化設(shè)計(jì)。
物理設(shè)計(jì)工具，如Synopsys IC Compiler，利用面積、速度、功率的約束來(lái)滿足最終的約束，實(shí)現(xiàn)干凈的芯片布局。
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