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芯片设计为何如此之难?芯片设计的难点在哪?

时间:2022-09-06 16:16:21来源:21ic电子网

导语:​芯片是非常重要的电子器件,智能手机、笔记本电脑中都有芯片的身影。为了增进大家对芯片的认识,本文将对芯片在设计的过程中存在的两个难点予以介绍。

  第一关,难在架构设计

  芯片设计,环节众多,每个环节都面临很多挑战。以相对较为简单的数字集成电路设计为例设计多采用自顶向下设计方式,层层分解后包括:

  需求定义:结合外部环境分析、供应链资源、公司自身定位等信息,提出对新一代产品的需求,并进一步考虑产品作用、功能、所需线板数量、使用集成电路类型等,精准定义产品需求。这一环节的难度在于对市场、技术的未来趋势准确判断和对设计人员、制造工厂等自身和产业链情况、能力的充分了解。

  功能实现:描述芯片需要实现的目标,通常用硬件描述语言编写。这一环节的难度在于对芯片整体可以达到的性能、功能的把握,既要充分满足目标,又不能超过自身的能力上限。

  结构设计:根据芯片的特点,将其划分成接口清晰、相互关系明确、功能相对独立的子模块。这一环节难度在于对芯片结构的熟悉,是否能用尽可能少的模块和尽可能低的标准达到要求。

  逻辑综合:开发者将硬件描述语言转换成逻辑电路图。这一环节难度在于需要保证代码的可综合、清晰简洁、可读性,有时还要考虑模块的复用性。

  物理实现:将逻辑电路转换成为有物理连接的电路图。这一环节难度在于如何根据制程,使用尽可能少的元件和连线完成从RTL描述到综合库单元之间的映射,得到一个在面积和时序上满足需求的门级网表,并使内部互不干扰。

  物理版图:以 GDSII 的文件格式交给晶圆厂,在硅片上做出实际的电路,再进行封装和测试,得到物理芯片。

  必须说明的是,芯片设计时,需要考虑许多变量,例如信号干扰、发热分布等,而芯片的物理特性,如磁场、信号干扰,在不同制程下有很大不同,没有数学公式可以直接计算,也没有可套用的经验数据直接填入,只能依靠EDA工具一步一步设计,一步步模拟,不断取舍。每一次模拟之后,如果效果不理想,就要重新设计一次,对团队的智慧、精力、耐心都是极大考验。

  第二关,难在验证

  芯片验证目标是在芯片制造之前,通过检查、仿真、原型平台等手段反复迭代验证,提前发现系统软硬件功能错误、优化性能和功耗,使设计精准、可靠,且符合最初规划的芯片规格。

  它不是在设计完成后再进行的工序,而是贯穿在设计的每一个环节中的重复性行为,可细分为系统级验证、硬件逻辑功能验证、混合信号验证、软件功能验证、物理层验证、时序验证等。

  验证很难,首先在验证只能证伪,需要反复考虑可能遇到的问题,以及使用形式化验证等手段来保证正确的概率,非常考验设计人员的经验和智慧。

  其次在验证的方法必须尽可能高效。现在的芯片集成了微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口),验证复杂度指数级增长。如何快速、准确、完备、易调试地完成日益复杂的验证,进入流片阶段,是每个芯片设计人员最大的挑战。

  最后在验证工具本身。以常见的FPGA硬件仿真验证为例,90年代FPGA验证最多可支持200万门,每门的费用为1美元。如今单位价格虽然大幅下降,随着芯片的复杂程度指数级增长,验证的门数也上升到以千万和亿为计算的规模,总体费用更加惊人。

  此外,FPGA本身也是芯片设计的一种。现在大型设计(大于2千万等效ASIC门)需要用多块FPGA互联进行验证,FPGA的设计面对RTL逻辑的分割、多片FPGA之间的互联拓扑结构、I/O分配、布局布线、可观测性等现实要求,这就又给设计环节增加了难度。

标签: 芯片

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