一文看懂芯片的设计流程
时间:2025-11-26 23:41:07 出处:网络安全阅读（143）
芯片分为数字芯片 、懂芯模拟芯片、设计数模混合芯片等多种类别。流程不同类别的懂芯设计流程也存在一些差异。
接下来 ，设计我们就以数字芯片为例 ，流程详细看看芯片到底是懂芯如何设计出来的 。
芯片设计的设计主要流程
芯片的设计 ，总体分为规格定义 、流程系统设计 、懂芯前端设计（Front-End Design） 和后端设计（Back-End Design）四个阶段 。设计
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网上有些资料为了简单，建站模板流程也会将规格定义和系统设计也归入前端设计。懂芯
上篇文章小枣君给大家说过，设计现在主流的流程芯片设计思路是自顶向下（Top-Down） ，也就是“先宏观，再微观” 。
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简单来说 ，就是先做芯片整体设计（功能、接口 、模块） ，再做各个模块的设计 。做模块设计的高防服务器时候，先设计逻辑原理（写代码） ，然后再用EDA工具转化为逻辑电路图（网表） ，最后再设计物理电路图（版图） 。
整个过程 ，穿插着大量的“设计-验证（仿真）-设计-验证（仿真）”循环 。需要确保每一步都准确无误 ，才会进入下一步 。
四大阶段中 ，前端设计 ，就是逻辑设计 。主要是将芯片的功能需求转化为可实现的免费模板电路逻辑，确保功能正确性 ，不考虑物理实现细节 。
后端设计，则是物理设计 ，专注于物理实现 ，将前端的设计转化为实际的版图。这个阶段需要脚踏实地 ，考虑制造工艺约束 、信号完整性 、功耗管理等实际问题 ，解决物理实现的工艺挑战。源码下载
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前端设计和后端设计的各个子阶段如下图所示 ：
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接下来 ，我们分别进行介绍 。
规格定义
芯片设计的第一步，是搞明白自己到底要做一款什么样的芯片 。
这不是领导拍脑袋决定的，而是需要芯片设计团队和客户（甲方）以及利益相关方进行充分沟通 ，了解具体设计需求之后确定的 。
需求包括 ：到底要实现什么功能 ，云计算用于什么环境 ，算力 、成本、功耗大概是多少 ，需要提供哪些接口 ，需要遵循什么安全等级 ，等等 。
所有的需求会转化为芯片的基本参数，最终以Spec（芯片规格说明书）文件的形式进行记录 。芯片设计的基本要求 ，就此确定 。模板下载
系统设计
接下来 ，就要由架构工程师出马了 。
架构工程师要根据规格Spec ，设计具体的实现方案 。包括但不限于：整个芯片的架构 、业务模块 、供电、接口 、时序、性能指标 、面积和功率约束等 。
芯片的架构主要由芯片的类别和功能所决定 。
如果芯片主要用于通用计算和数据处理 ，冯・诺依曼架构可能是一个合适的选择 。如果侧重于高速的数据处理和实时性要求高的应用 ，如数字信号处理或一些特定的嵌入式系统 ，哈佛架构可能更具优势 。
对于复杂的芯片设计 ，还可能采用多核架构或异构集成架构（混搭） 。
芯片的整体布局（示例）
选定架构之后 ，架构师还要在细节上进行优化和创新 。例如调整各个功能模块之间的连接方式 、优化数据通路以减少延迟 ，或者采用新的计算模式 ，等等 。
架构师还要确定哪些功能可以用软件实现 ，哪些部分需要用硬件实现 。上篇小枣君介绍过IP核 ，哪些部分要采购IP核，哪些部分自己做 ，也是由架构师决定的 。
前端设计（逻辑设计）
好了 ，开始进入前端设计部分了 。我们保持耐心 ，一步一步来看 。
· HDL编码首先 ，是进行HDL（Hardware Description Language ，硬件描述语言）编码。
架构设计方案完成后 ，芯片设计工程师将根据方案，针对各模块进行具体的电路设计 。他会使用专门的硬件描述语言（Verilog或VHDL） ，对具体的电路实现进行RTL（Register Transfer Level ，寄存器传输级）级别的代码描述 。
简单来说，就是用代码来表述芯片的逻辑功能和数据传输 。
Verilog作为一种常用的硬件描述语言，能够对电路（系统）进行多层次描述 ，包括系统级 、算法级 、寄存器传输级（RTL级） 、门级和开关级 。在数字IC设计流程中 ，RTL级描述最为关键和常用。因此，Verilog代码也常被称作RTL代码。
Verilog代码范例（32位加法器）
需要注意的是 ，HDL编码需要结合晶圆厂提供的库（libaray）和器件（device）等基础资源来设计。有些芯片设计工程师也会基于晶圆厂提供的资源 ，进行底层优化设计 。
· 仿真验证HDL编码完成之后，就要开始第一波验证（Verification）了 。
前面我说过 ，芯片设计几乎每一步都要进行验证或仿真 ，就是为了确保不出错，因为出错的代价实在太大 。
这一步的仿真验证 ，主要包括电路逻辑功能方面的验证 ，也就是证明设计的功能是否符合设计规格中的定义，是否存在逻辑实现错误 。
如果发现错误 ，就需要返回上一步 ，进行修改 ，甚至要返回方案设计阶段进行修改 。修改之后 ，再重新进行验证。
验证方法包括 ：（借助工具）通过在搭建的验证环境中输入激励（就是加输入信号） ，然后看检测输出波形是否和预期一样 ，以此来进行判断 。
验证仿真的工具主要包括VCS 、Qustasim等EDA工具（进行编译和仿真） ，以及Verdi等工具（进行debug） 。
需要注意的是 ，这个阶段的仿真，也被称为“前仿真”。待会我们还有一个“后仿真” 。
“前仿真”是在理想状态下进行的 。它基于理想化的抽象模型 ，忽略物理延迟和布线细节，专注于功能正确性 。
· 逻辑综合接下来 ，验证工程师要使用一些EDA工具 ，将RTL代码翻译成门级网表（Gate level Netlist） ，也就是实际的逻辑门电路（也包含了逻辑结构和连接关系 ，也是后端设计的关键输入） 。
门级网表的样例
这个步骤就是逻辑综合（Synthesis），有时候直接简称“综合”。
逻辑综合主要包括翻译、优化、映射步骤 。
翻译 ：先将Verilog/VHDL代码转换为工艺无关的 、初级的、未优化的通用门级电路 。
优化 ：逻辑综合需要设定约束条件 ，也就是希望逻辑综合出来的电路在面积、时序 、时延等（PPA）目标参数上达到的标准 。优化 ，是根据约束条件和工艺库（由晶圆厂提供）参数 ，进行逻辑结构调整 ，去掉冗余单元 ，以此满足要求 。
映射 ：最终 ，将门级逻辑电路映射到的工艺库上。
需要注意的是 ，不同晶圆厂的工艺库，门电路基本标准单元（standard cell）的面积 、时序参数是不一样的 。所以 ，选用的库不一样 ，综合出来的电路在面积、时序上就不一样 。
· 静态时序分析静态时序分析（Static Timing Analysis ，STA） ，也属于验证的范畴 ，主要是在时序上对电路进行验证 。
具体来说 ，是在不提供激励的情况下，验证设计时序特性 ，检查电路是否存在建立时间（setuptime）和保持时间（holdtime）的违例（violation）。
这句话有点难理解 ，要搞懂它 ，就要先搞懂时序（timing） 。前面我们多次提到时序。芯片时序是集成电路设计中确保信号传输与时钟同步的关键技术，非常重要。电子设备由时钟信号驱动 ，如果时序存在问题 ，各个模块之间的工作节奏就会错乱 ，影响各个元件以及整个芯片的工作频率，进而影响整体性能 。
在数字电路中 ，一个寄存器如果出现前面说的违例 ，就无法正确采样数据和输出数据。所以 ，以寄存器为基础的数字芯片功能，就会出现问题。
静态时序分析（STA）的作用 ，主要体现在以下几个方面 ：
首先，它能帮助我们确定芯片的最高工作频率 。
通过详细的时序分析 ，工程师可以更好地控制工程的各个环节 ，从而减少延迟 ，尽可能地提升芯片的工作频率。
芯片的最高工作频率由网表（netlist）的关键路径决定 。关键路径是网表中信号传播时延的最长路径 。
其次 ，静态时序分析也是检查时序约束是否满足的重要手段。
在时序分析的过程中 ，我们可以查看目标模块是否满足预设的约束条件 。如果不满足 ，分析结果将帮助我们精确地定位到问题点 ，并给出详细的改进建议 。
最后 ，静态时序分析还能用于分析时钟质量 。
时钟信号存在抖动 、偏移和占空比失真等缺陷 。通过时序分析 ，我们可以有效地验证这些缺陷对目标模块性能的影响 。
STA工具 ，包括Synopsys的PT（Prime Time）工具等 。
它可以分为三个基本步骤 ：
1 、将netlist看成一个拓扑图；
2、进行时延计算（连线时延net delay 、单元时延cell delay）；
3、找到关键路径 ，并计算时延 ，进行判断 。
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这一步也是验证 ，是从功能上对逻辑综合后的网表（netlist）进行验证 。
形式验证主要通过数学手段来完成 ，不考虑工艺因素 ，无需激励或时序检查即可进行 。
在形式验证中 ，等效性检查（也叫等价性检查）是一种常用方法 。
它通过将当前设计与已知的黄金设计（功能验证后的HDL设计）进行对比 ，来确认设计的功能等效性 ，确保逻辑综合过程中没有改变原先HDL描述的电路功能。
覆盖率，是评估验证充分性的一个关键指标 。它主要分为两大类 ：代码覆盖率和功能覆盖率 。
代码覆盖率 ，旨在检查RTL代码是否冗余 ，并确保设计要点得到全面遍历。
功能覆盖率 ，专注于检查自定义container（容器）中的功能是否被充分测试 。
在前端设计的最后阶段，需要完成代码覆盖率的充分性审查 。对于未达到100%覆盖率的情况 ，需要给出合理解释，以确保芯片功能不受影响 。
以上验证工作都完成后 ，前端设计（逻辑设计）就基本完成了 。
几个主要阶段的输入和输出 ，如下表所示：
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后端设计（物理设计）
前端设计的结果，是得到了芯片的网表（netlist）电路 。
不同的EDA工具，生成的网表文件的文件格式也不太一样 。例如*.v（Design Compiler ，Synopsys公司） 、*.vh（PKS ，Cadence公司）和*.edf（Synplify，Synplicity公司） 。
后端设计 ，是要基于网表 ，制作出物理版图 。
具体来说 ，是先基于网表 ，在给定大小的硅片面积内，对电路进行布局规划（Floor Plan） 、布局（Place）和布线（Route） 。
然后 ，再对物理版图进行功能和时序上的各种验证（DRC 、LVS 、ERC等）。
最后 ，生成用于制造光掩模版和流片的GDS（Geometry Data Standard）版图 。
整个过程有点像制作PCB电路板 。当然 ，复杂度要高出无数倍 。
接下来 ，我们来看每个步骤 ：
· 可测性设计可测性设计（Design for Test ，DFT），是为了方便后续对芯片进行测试 ，提前进行的自带测试电路设计 。
现在的芯片都很复杂，出现问题的话 ，往往很难查找原因 。可测试性设计就是为将来找问题进行提前考虑 。
可测性设计的常见方法 ，是在设计中插入扫描链 、内建自测试（BIST）、边界扫描单元等特殊架构 ，将非扫描单元（如寄存器）变为扫描单元 ，提升电路内部信号控制与观测能力 。
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DFT示例图
在测试时，在Scan-In阶段加载激励信号，在Capture阶段捕获组合逻辑响应 ，最终通过Scan-Out移出比对 ，就能得出结果。
可测性设计技术的基础评价指标包括可控性和可观测性 。具体情况可以另行搜索网上资料 ，限于篇幅就不多介绍了 。
注意 ，在有些文献里 ，也会将可测性设计归为前端设计的范畴 。
· 物理布局可测性设计之后 ，就要开始进行物理布局（layout）了 。
物理布局是芯片设计流程中从逻辑视图向物理视图的转换过程 。
它需要考虑到元件的尺寸 、形状 、相互之间的间距，以及连线的长度和宽度等各种复杂因素 。布局的好坏 ，直接影响到芯片的信号抗干扰能力 、寄生电容和电感的大小 ，决定了芯片的整体性能和可靠性 。
好的物理布局 ，是要实现空间利用率 、总线长度、时序的完美平衡 。也就是说，空间利用率要尽量高 ，总线要尽量短，时序要尽量收敛。
物理布局的主要步骤包括：布局规划 、布局 、时钟树综合 、布线等 。我们逐一来看 ：
· 物理布局之 布局规划布局规划（Floor Plan） ，就是规划放置芯片的宏单元模块 ，在总体上确定核心区域（Core Area） 、电源网络和关键模块位置 ，如IP模块 、RAM 、I/O引脚等 。
这个步骤没有标准的最佳方案，但又有很多细节需要考量 。
设计者需要根据电路的功能和性能要求 ，以及硅片的尺寸和工艺约束 ，来安排电路元件的位置。例如，设计者可能需要将高速或者热敏感的电路部分放在芯片的中心位置 ，以便获得更好的性能和热分布 。
在布局规划的过程中 ，同样要紧密结合晶圆厂的资料来。例如，晶圆厂提供的PDK（Process Design Kit ，工艺设计套件） 。
PDK包含了工艺相关的各种参数和模型，比如晶体管尺寸 、层间距 、金属氧化层厚度等 ，就连线宽 、线距等设计规则都与之相关 。如果脱离PDK ，你设计的东西 ，人家根本生产不了 ，就是白搭。
· 物理布局之 布局布局（Place） ，就是在规划的区域内 ，精准放置所有标准单元、I/O pad、宏单元 ，实现整个电路逻辑 。布局时 ，需要平衡芯片利用率（70%~90%）、时序收敛和布线拥塞风险 。
· 物理布局之 时钟树综合时钟树综合（Clock Tree Synthesis ，CTS） ，简单说就是时钟的布线，构建时钟网络 。
前面说了 ，时钟信号在数字芯片中起到了全局指挥的作用。我们在布放时钟线的时候 ，需要对称式地连接到各个寄存器单元 ，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 。（时钟偏差通常需控制在时钟周期的10%以内。）
· 物理布局之 布线这里的布线（Routing） ，就是普通信号布线了 ，包括各种标准单元（基本逻辑门电路）之间的走线 。
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 ，需要对信号线进行合理规划 ，将各单元和I/O pad（输入/输出焊盘管脚）连接起来 。
布线工具界面
设计者需要根据信号的频率和时序要求，以及工艺的布线规则 ，来安排信号线的路径和层次 。例如 ，设计者可能需要使用多层金属线来实现复杂的信号交叉 ，或者使用特殊的布线技术来降低信号的传播延迟 。
经过反复的检测与优化 ，最终会呈现出如下的电路图。
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或者是这样 ：
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这就是版图 ，包括了平面几何形状 、文本标签等与物理布局相关的信息，通常是一个图形数据库系统（graphic data system ，GDSⅡ）文件 。
图中 ，我们可以清晰地看到蓝 、红 、绿 、黄等不同色彩的区域 ，这些色彩区域分别对应着不同的光掩模版（后面会说 ，芯片制造篇也提到过） 。
· 寄生参数提取和信号完整性分析物理布局完成之后，又要开始进行验证了。
导线本身的电阻、相邻导线间的互感及耦合电容等因素（寄生参数） ，会在芯片内部引发信号噪声 、串扰和反射等问题 ，导致信号电压发生波动甚至失真 。
因此，需要进行寄生参数的提取 ，以及信号完整性的分析验证 。
· 静态时序分析在电路的每个单元位置和各项参数都已确定的情况下 ，需要再次进行静态时序分析 ，以确保结果的准确性 。
· 形式验证和前面一样 。再做一次 ，确认一下电路功能是否与之前保持一致 。
· 后仿真（时序仿真）后仿真 ，也叫时序仿真 。
它是在物理布局完成后进行 ，通过注入实际物理参数（如延时 、寄生效应） ，验证芯片在真实工艺条件下的时序 、功耗及信号完整性，确保设计可制造且可靠 。
后仿真的核心关注点在时序验证 、物理效应分析以及设计收敛 。
时序验证前面说过 ，是检查建立时间（Setup Time） 、保持时间（Hold Time）是否满足 ，避免信号竞争、毛刺等问题。
物理效应分析 ，是评估信号完整性（如串扰 、噪声） 、功耗热点及电压降 。
设计收敛 ，是确保芯片在目标频率下稳定工作（如时钟边沿能否正确触发寄存器） 。
前仿真和后仿真的对比 ，如下表所示 ：
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物理验证 ，主要包括LVS 、DRC、ERC等检查 ，目的是确保版图的正确性和一致性 。
LVS（Layout vs. Schematic） ：版图对原理图一致性检查 ，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）：版图设计规则检查 ，检查连线间距，连线宽度等是否满足工艺要求 。规则通常都由晶圆厂提供，确保设计在制造过程中不会出现物理上的问题 ，例如短路 、开路 、间距不足等 。
ERC（Electrical Rue Checking） ：电气规则检查 ，检查短路和开路等电气规则违例 。
· 功耗分析功耗分析是确保芯片性能（Performance） 、功耗（Power）和面积（Area）（简称PPA）平衡的核心环节。
它其实贯穿于芯片设计的整个流程 ，在前面我们也有提到相关流程 。它的两大任务是分析IR drop（电压降）和EM（电迁移） ，防止因此导致的芯片失效 。
功耗分析的核心方法包括静态功耗分析和动态功耗分析 ，常用工具包括Ansys公司的Redhawk，Cadence公司的Voltus ，以及Synopsys公司的Ptpx 。
· 工程变更芯片设计有时候还会进行工程变更（Engineering Change Order，ECO） 。
也就是局部修改单元位置或布线 ，解决STA或后仿真发现的违例问题 。通过工程变更，可以避免重新设计 。
· 签核注意 ！布局布线完成后的这几个步骤 ，包括物理验证 、静态时序分析 、功耗和可靠性分析等 ，都属于签核（Sign-off）检查 。
签核是流片前的最后一道“守门关” 。
如果不满足 ，就要回到物理设计做修改 。如果还是不满足 ，就需要返到电路设计和验证环节。
如果全都满足，那这个版图就可以送去晶圆厂流片 。
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签核也要采用EDA工具 ，包括了IR分析签核工具 、时序分析签核工具 、物理验证签核工具等 。
对于目前越来越复杂的工艺 ，实现签核收敛（即所有检查均通过）变得越来越困难 。这主要是因为多种物理效应（如工艺偏差OCV 、信号完整性SI 、电源完整性PI、热效应等）之间存在复杂的相互作用 。
因此 ，签核工具需要具备更精确的建模能力 、更全面的分析功能 ，并且常常需要AI的辅助来加速分析和收敛过程。
以上 ，就是后端设计的主要流程 。在实际项目中 ，其实还包括了附加流程 ，例如填充单元插入，以及随着制造工艺不断演进产生的DFM（可制造性设计）等。大家有兴趣可以另外研究 。
后端设计几个主要阶段的输入和输出 ，如下表所示 ：
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后端设计全部完成之后 ，就可以输出最终的GDSⅡ文件了。文件包含以下信息 ：
层次结构和顶层结构 ：芯片的不同层和顶层结构 ，包括金属层 、多晶硅层 、掩膜层、胶片层等 。
几何信息 ：包括芯片各个部位的尺寸 、形状 、位置以及与其他部位的连接方式等 。
特殊功能区域 ：如联排 、防抖动区域 、纹理区 、DPJ (Diffusion Pocket Junction) 等。
材料属性信息 ：描述每个层的材料类型 、介电常数、厚度等 。
流片
最后 ，就是流片（Tape-out） ！
物理版图以GDSⅡ的文件格式交给晶圆厂 ，就要开始流片 ，也就是试生产，制造几十片的样片 。
流片为什么会叫Tape-out呢 ？
因为在上世纪七八十年代 ，芯片的设计数据都是写到磁带或者胶片里传给工厂 。设计团队将数据写入磁带 ，叫Tape in 。工厂读取磁带的数据，叫Tape out 。随着时间的推移 ，磁带早已不用了 ，但是这个叫法一直沿用了下来 。
晶圆厂拿到GDSⅡ文件，开始制作光刻掩模版（mask） 。
光刻掩模版
光刻掩模版的制造过程和芯片晶圆的制造过程有点像 ，大概是这样的：
1 、借助无掩模光刻机读取GDSⅡ版图文件，对涂有光刻胶的空白掩膜版进行非接触式曝光 。这个步骤将照射掩膜版上预先设定的图形区域 ，引发光刻胶的光化学反应 。
2 、经过显影和定影处理后 ，曝光区域的光刻胶将溶解并脱落 ，从而暴露出下方的铬层 。
3 、采用铬刻蚀液进行湿法刻蚀 ，将暴露的铬层刻蚀掉，以形成透光区域 。同时，受光刻胶保护的部分铬层则得以保留 ，从而形成不透光区域。
4、对掩膜版进行彻底清洗。这样 ，掩膜版上便形成了具有不同透光率的平面图形结构。
基于掩模版 ，制作芯片 。然后，芯片设计企业对芯片进行详细的测试，看是否流片成功 。
如果成功 ，那就congratulations ！如果失败 ，就要评估能不能降级使用 。如果不能 ，那就要么砸钱重来 ，要么宣告放弃 ！
好啦 ，以上就是数字芯片的整个设计过程 。