树芯计划-ASIC数字IC设计讲解（1）连载中......

大家好，我是IC修真院的Andy老师，今天我们一起来学习ASIC数字前端设计课程，在讲课程之前，我们首先来看一些基本的知识点。

那目前来看无论是ASIC设计还是SOC的设计，基本的都是TOP down。首先，我们会有需求分析，就是说你要为谁做一个的产品，有了这个需求以后，会先一步的细化，我们的芯片的规格是什么样子，把我们的spec定义出来，定义出来以后会把这个spec进一步的break down，比如说到一些子系统的模块的一些spec，然后，就可以交给数字设计工程师们，也就是我们这些设计人员，开始我们的rtl coding，那在这个过程中，设计人员和验证人员要共同的协作。

验证人员负责功能的验证，当然，也可以有设计人员进行初步的验证，那验证的依据，验证的标准都是来自于我们的spec，也就是我们的vo，我们的verification objective，也是来自于我们的spec，那关于验证，我们在后续的课程中，会进行了深入的讲解，以及练习。

那我们把coding完成以后，就是synthesis,所谓synthesis，就是把你写的代码，把你的一种表述转换成另一种的表述，比如说转化成lab里面的cells。那综合完成以后，就给到所谓的后端,进行所谓的布局布线，那在这个当中，会有很多的验证分析，你的timing是不是满足。这块目前是比较经典的一个设计流程，同学们应该已经都比较清楚了。

那从数字设计来讲，我们要具备的一些基本知识，可能需要以下的内容，就是说如果是从低往高里看，可能你要对这个晶体管，transistor，有一些了解。那更往上的，比如说有transistor搭建而成的基本的数字单元电路，像latch、加法器，这些都要了解。然后，再往上就是从具体到抽象一层，我们这个时候可能是便于开展大规模的设计。我们是用verilog的描述，那在集成电路的早期，比如说90年代，使用其他形式来进行ASIC的设计，但那个时候的效率跟现在我们用verilog，在做描述和在做综合这条路上，在效率上是不可同日而语了，但并不是说这条路是不可行的，只是说从效率上来讲，可能会偏低一些。

那有了这些基本点以后，我们要熟悉目前的开发，一般都是在UNIX或者linux这个环境里边，我们对EDA的库要有基本的掌握。

比如说，你的编译，modelsim，VCS，ICVEILOG不同厂家的，不同公司的，功能基本都差不多，但是，我们要有所掌握和有所了解，另外,设计的时候,从一些基本的单元设计起来以后，到一个顶层的时候，如果你的系统里边有一些复杂的模块,有些IP在里边，所谓的IP就是说，它是一些软核，那可能我们上面还会有一些这个互联，比如说，是不是有一些network on chip，连接到一块儿去，那你需要对这些基本的协议，基本模块的功能有一些了解。这是我们要了解的一个内容，就是说，不能因为我是做数字前端设计的。我就仅仅集中在这个verilog上面，verilog是要掌握，但是对底层也是需要掌握，比如说，后来要做ECO，ECO分析，有一些分析它需要精确到晶体管的时候，如果你具备了这方面的知识，那你的理解，定位，和其他人相比就更具有优势。尽管不是说是针对analog，analog这是毫无疑问的，所以我们要对这个transistor，对他这些曲线要很了解，但是对数字的设计，我希望同学们也要对这些有深入的了解。

另外，我们今天讲的课程的叫ASIC数字前端设计。什么是ASIC，Application Spicecific Integrated Circuit，对吧，现在大型的一个asic实际上跟soc并没有显著的差异性，AISC可能有时候，是非常专用的，那他在宏观上的理解，会比SOC可能规模上要小一点，流程上要简单一点，一会儿我们对比讲解一下。

这就是所谓的通用芯片，那另外就是我们现在都很熟悉的SOC的概念，在90年代2000年的时候，慢慢的随着工艺线条的减小，已经能把许多的模块，包括的analog的集成到一起去，把一个系统，原来可能是在一个PCB的level，那我做的SOC上面。那如果一个soc放不下，可能用几个SOC，然后把这几个soc再封装到一个package里边，IP的形式。那在这个大型的SOC设计当中，存在一个design的问题。不是说是你需要不需要的问题，是必须的。如果在一个大型的SOC或者说是一个非常复杂的ASIC电路里边，你如果里面有CPU,那工作就需要有软件的参与，那我们定义的时候，哪些东西需要有硬件来完成，哪些东西需要有软件来完成，这个在项目的初期，一定要有一个规划，有一个取舍，硬件实现有它的优点与缺点，软件实现有它的优点与缺点，那怎么去做这个折中，这是在我们的项目开始的时候要进行考虑的。

另外就是刚才也提到的design spec，这是非常非常重要的，那在一些非常成熟的企业公司里边会专门的架构师。他们一般是比较有经验的，会负责收集我们要开发的产品的各种规格。写成文档性的东西或者是图或者是表，或者是兼而有之，我们一起把它deliver出来，那这个spec是非常非常重要的。它不但作为我们设计人员的一个参考，也可以做为我们架构师今后的发现，哪个地方定义的不合格，有问题，也是依据这个进行修改。

软件人员也可以拿这个，作为一个参考，验证人员也可以拿这个参考，所以说design spec是非常重要的。我们经常会听到spec，就是说如果我们的ASIC规模非常之大，或者说是一个复杂的SOC，可以想象一下，如果上面有DSP，有MCU，甚至有CPU，还有很多其他的像DMA，很多的master，很多的slave，那这地方互联的时候，那就是一个问题了。我们一方面要考虑复杂度，另一方面要考虑它的效率，那现在比较成熟的就是所谓的片上互联NOC，NOC可能现在有很多种。

另外就是前面提到了spec，早期的spec，一般会出自于我们的所谓的架构工程师，有同学经常会听到这个，有的公司叫CONNCECT，有的公司叫architecture，涵盖的业务范围可能不太一致，但是基本都是负责这个方向，甚至有的公司叫system engineer，我们一般包含RTL coding的，设计的叫DE，验证的一般就叫VE，现在业界比较流行的就是uvm，以前的SV进化到现在的UVM。所谓的前端后端基本是以综合的那个点为界，在综合之前，那前端主要是负责功能实现，后端的主要是实现物理，进行流片。

另外，在ASIC设计当中，随着规模的增大，文件数量的增多，版本的迭代，代码的修改，我们需要有一个版本的控制，所谓的version control，那现在国内用的非常多的SVN。那一定要有一个版本的控制，大家基于共同的一个库来开发我们复杂的SOC。没有版本的控制很容易就出错了，最后可能拿到的文件不是你想要的，那就前功尽弃了，

所谓的ASIC，我们不要局限于一个概念，是没有任何意义的，那我们有的ASIC当中，有一个简单的MCU或者是有一个简单的CPU，那实际上它是可以去进行编程的，是有灵活性的。

另外就是刚才讲到的，ASIC设计呢，我们可以借鉴一下经典的SOC，最早的时候设计的几个经典的技术，一个是所谓的深亚微米，现在已经是肯定是达到了，还有一个IP，并不是说，只有在SOC的设计当中才会用到IP，无论是hard IP，soft IP，还是firm core，在我们的ASIC设计当中，现在也大量的启用IP，为什么？因为他已经经过验证了，它的功能基本OK的，只是实现的时候，随着我的TECHNOLOGY的工艺不同，可以进行不同综合的映射，他并不是说是SOC专有的。那大型的SOC当中，它的hardware software code design这是必须得，是不可避免的。这是由于SOC的复杂性所决定的，那我们开始设计的时候，最早的时候software没有东西，因为hardware也没有做出来，没有依托他写一些IP，那可能是拿一些C,SYSTE C，写出来的一些类似于behavior的东西，那有了这个东西以后，软件的人员可以在早期的时候开始他的SOFTWARE代码的开发，那这样子就是可以把一个原来是一个串行的工作，现在转化成一个并行的工作，大大地提高了我们的工作效率。

因为很多时候我们IC设计人员，一定要纠正一个错误的偏见，就是认为软件不重要，软件实际上是非常重要的。那我们作为一个IC designer，我们认为自己很重要，那是没错的，因为没有这个东西，那就无从谈起。但是，将来真正的到costumer那边去，他接触到的实际上是你的软件，所以说软件非常之重要，它直接影响到用户的感受，OK，这个地方，就是说对比经典的SOC设计，是有很多地方是有相同之处的。

需求分析，我们做一个产品的时候一定要问自己，我为谁做一个什么样的产品？无论是谁都是要解决这么一个问题。马斯克他做的这个飞机，他解决一个什么问题？那就是人类移民到火星去，那苹果做的这个产品，他当时解决什么问题，就是你的PC你的lapTOP太大了不方便，我能不能把所有的功能，集中的一块儿去，然后iPhone就面世了，那我们做IC的时候也是在规定的时间，有限的人力和物力的前提条件下来开发的。我们不是去做一个预言，做预言是另外一个概念，那如果说你要做一个产品出来的话，一定是由上市时间压力的，跟需求的，你错过了这个时间段，尽管做出来了，但是获得的收益可能就大幅的下降了，所以说在做一个东西的时候，首先它是新鲜的，还是说我要取代已有的，比如说我原来有一个东西，一直是从国外买的，那现在他不卖给我了，我要为这一个产品做一个替代的产品，那一定是有时间，人力，物力的限制。

那正规的大型的公司里面做一个产品的时候。一般都会有市场部，他会到市场上去进行分析，分析有什么样的需求，未来3到5年的，趋势是什么样子的？这个趋势一定要迎合我们的工艺，发展的趋势和节点，面向未来，还要看我们的竞争对手在做什么样的东西，我做出来以后有没有竞争力，有没有卖点？那这当中就可以体现出我就要跟他做的不一样。就是差异性，创新性，有前瞻性，那典型的例子就是苹果的这个IPhone，乔布斯当时确实是很具有前瞻性，这么一个产品当时还具有轰动性，后来大家做出了这个东西以后都去follow，那就是说我们做这个东西的时候，一般会有两种情况，一个是全新的产品，原来没有reference design，你做出来的这个东西就是一个pilot PROJECT。无论是你的架构，你的想法，你的实现，他都是全新的。

那这个时候可以想象一下，因为没有reference design，前人没有做过，所以说你这个难度非常大的，开发的周期也可能会非常长，风险也是非常高的，一旦失败那可能真的失败了，但是一旦成功那就不得了，IC行业一定是这个样子的，如果回过头来看看很多经典的公司的成长经历都是这样子的。

我们举一个intel例子，Intel原来也是这样子，他本来是做memory，做着做着被日本的公司逼得几乎要破产了，但是他另辟新径，去做一个小的MCU，转了方向，转变的观念，后来这个东西卖的很好，以前是给计算器上calculator用的，做出来以后，他处于垄断性的，只是近几年，随着AMD的崛起，他没有把它给打压下去，所以现在的处境也不太妙，那还有一些产品我们在做的时候是这样子的，就是说我已经有些reference design了。随着性能的提高，比如说我原来是这个16位的，现在要求提高了，要做成32位，甚至是做成64位。我的性能要提高。那这些是属于你的fature的改动。你有一个reference design，起码你的架构里边有一个MCU，他只是原来是16位的，performance不够，可能我的时钟频率也不够高，那现在市场上需求一个性能更高的，那我们经过充分的计算以后发现只要是把这个提高到32位去，时钟在再提高一倍，就满足了客户的需求了，那这个时候相对来说，你的难度是低的，风险也是低的。

OK，也就是说，尤其是ASIC里边，一定是有一个需求分析在里边的，那需求分析完了以后大家会说要啥要啥。

需求分析完了以后，要出什么的东西，出你的文档，把需求，展望，这些东西都列出来，性能指标是一个什么的东西，甚至是跟competitor这边的，你的这个性能指标是什么样子都列出来，形成文档性的东西，那出了这个spec以后，他尽管不够明晰，但是它可以作为我们架构师，以他为基础进一步的去进行细化。我们设计人员也可以拿到这个spec，知道接下来要做一个什么东西，可能是MCU要从16位扩到32位去，那我这个NOC是不是要做相应的改动，因为我原来也是16位的。

设计人员就可以在早期的时候进行思索，我的CLOCK又提升了，从200M可能要到500M去，那做PL的同事就得到消息了，原来他要这样子做，那就可以提前准备一下。我做CLOCK的同时要早期的准备一下，就是这个spec一定要早期形成，给到我们后面的人员。

需求分析完了以后，就是我们的架构师要早期建立参与了，那功能架构的定义实际上就是说我们前面有需求了，我们架构师的工作方向就确定了！他可能不是一些技术控，他不太懂技术，他就是说，人家要有个什么样的东西？又能够跟谁家的相比？它里面列了一些需求。那架构师是要把这些东西进一步的break down，甚至是形成详细的条条写到我们的spec里面去，将一个原来模糊的大的功能框图，我进一步的把它BREAKDOWN细化。你可以形成一些图表，也可以一些详细的description，一些描述，甚至把这些条条分章分节列出来，这就是我们所谓的产品的spec，一般来讲，里边的图是少不了的，里面的表是少不了的，有了这个大的spec。实际上还可以进行细化，一个大的章节，针对每一个系统有一个细化，像系统的SPECIFICATIONPK，甚至是子系统的，以及模块的。比方说这个地方给大家一个例子：我一开始的时候，也不清楚，它里面可能要去从外边接收一些什么样的东西进来，进来我处理完以后，再给输出去，可能就是个这东西，从这个大体的描述上，我们知道里面就是要有一个MCU或者一个CPU，它能够把外面的接收进来，进来的是什么？是一些声音？是什么声音？这可能是需要进行处理的，然后，要把这个东西处理完，在转出去。那就需要有MCU，他会有一些创新的通讯，像UART，以及我们对外采样的这个ADC、甚至反馈的DAC，

那这个图大家看一下非常的粗，为什么，要举个例子来讲，你拿到这个图是没法去开始coding的，你的ADC，你的performance是几个channel，没有说清楚。你的memory也没有写清楚。Io port的详细情况也没有写清楚。但是没有关系，我们有了这个图以后，我们可以逐步的细化，比如说，对汽车上的某一个应用的，那我们就可以把它细化。

那这个图跟上面相比起来，他就细节上就更多了，比如说，我的ADC有很详细的，我需要是10 bit的。我需要这个flash多少？我的SRAM是多少呢？这些都给你列出来。这就是在前期，从客户需求那边到架构师在慢慢的把这个功能进行细化。

那在细化的时候还有一些选型！我这个MCU选什么样子的，我是选择ARM的比较简单的，还是选择RASC_V，还是说用简单得这个8051，这都是你需要进一步的去细化的。

功能模块的划分你的power、security、clock、reset、interrupt。这些都需要逐渐的细化出来。一共有多少个CLOCK，reset是采用什么样子的，那这个时候就可以慢慢细化出来了。如果是有多个MASTER进行互联的时候，那我就牵扯到这个偏差互联的结构，那我采用什么样的形式？这个时候也可以慢慢的细化。

接口是AXI，有DDR，可能需要AXI了，还是说简单的AHP就可以了，甚至说有一些，我就去访问配置，选择APB了，那更复杂的还有一些是OCP的？随着细化出来以后，你就知道这个SPI是需要四线的，还是2线的，URAT的波特率是多少，我的performance是需要什么样子，就可以写到我们的spec里面去，以及我们的这个port的引脚。将来出pin的是出多少个，你是要在这个国内的某个线上，还是到国外的，那你的工艺是什么，工艺定下来了，那你的电压，频率，功耗，你是用在什么样的场合？如果你说你打游戏的，这个可能要求不高，但如果你是嵌入式的话，那可能对这个功耗，温度，可靠性的要求就不一样了，那设计规划形成以后呢，我们可以进一步的break down。

接下来是比较详细的功能的划分了，刚才我提到了的功能的划分，主要是强调的是软硬件功能划分，在一些比较小型的ASIC当中，实事求是的讲这个可能不是一个重点。

但是，在一个大型的ASIC以及SOC当中，确确实实可能是一个重点，尤其是一些pilot project！就说我一开始写一些C MODULE。另外就是我借助FPGA，先把这些东西先搭出来，RTL那边你继续走，FPGA同步开发，那是不是让软件底层的开发可以在FPGA上同步进行，所有的工作都是一个软硬协同了一个问题，主要是一个效率，一定不能等到我按部就班spec，从市场上拿到需求定spec，划分，交给designer，开始去做。做完了以后产品回来了，再去开发软件，那时候太晚了，too late。

那就是说软件跟硬件的拿捏是非常重要的，你做成硬件，好处在哪里，速度快，performance高一些。但是，你的开发周期更长，关键是你的灵活性差，容错率低，你说要验证的呀，但是我们知道验证不是万能的。

IC设计是有复杂性的，大家可以想象一下，咱们不说现在的这个五纳米七纳米，大家可以想象一下成千上万的管子在上面，你的逻辑有一个地方出错了，你做成硬件的，一旦没有补救措施，可能就因为这一个BUG。这整个产品就fail了。需要严谨再严谨。光个人的严谨是不够的，还需要有有成熟的flow，我们照着这个flow去看一遍，知道是这个思路，我们在产品定义的时候，要把这些东西想清楚，开发的时候要严谨，不能说产品开发初期的时候，举个例子来讲，我现在要做一个很高清的电视的芯片，我作为一个32K的，我要用到IP，PCIE的这个性能要到多少，HDMI的性能要到多少，但是，现在市场上就没有这些IP对不对，你说你自己去研发吗？那来不及？这就不切实际了。那我们做了前期的，如果是切合实际，开发中，我们一定要慎之又慎，验证的时候，把VO定义清楚，严格的按照流程。你的spec lass，认认真真地分析一下CDC，RDC认认真真的看一下。这是设计阶段出来以后，你就没有办法了，那就是说你在前期的时候，你要把DFT的东西要做进去。出来以后，他能够帮你把这些里边有defactor的地方，给你筛选掉。这些都做过了，去跑功能，那一旦fail了，我有没有手段能够定位到是在哪一个模块里面出问题了，这就是所谓的DEBUG AND trans。这也是在我们项目开发的初期，架构师定义的时候，需要考虑的。千万不能说不需要，我都是跑软件，软件去看就OK了。对一个大型的SOC，这是非常不切实际的。

回过头来再说一下，就是说我们做这个东西的时候，刚才我也讲到了，你不要做的不切实际，你有多大的能量，你做多大的事儿。不要不切实际的去定义性能指标，对不对，他一定不是一个一维的空间，你说我有坚强的毅力，我爬过喜马拉雅山，很好。做IC不是光有毅力的，我细心，我非常细心，也不是光有细心就可以做到的。

我们在这ASIC设计当中的一些小的asic，我们完全可以借鉴很多大型的ASIC当中的一些开发经验，开发技术，因为你说现在的大型ASIC不比soc复杂度低。那我们很多技术可以互相来借鉴来用，另外，就EDA tooling的重要性，现在IC design里边，说实话，你人多你加班不解决根本性的问题，EDA tooling是非常关键的。但是，这几乎都是垄断性的所以说，希望同学们的在这方面也多多的努力。这个呢，就是我如何是从一个soc最后把内部的东西呢定义出来，这个东西我们就是skip了。

这个地方讲一个例子，就是说DMA，我们知道在很多系统里面有DMA，那DMA这个东西跟我们设计的初期功能划分的时候，我们就要考虑CPU能力足够强不？这些东西在早期的时候一定要定义清楚，不要说一开始有问题到后来发现报错，特别CPU那儿，data来不及处理，那这就出问题了。

另外呢，一个比较典型的例子，比如说像这个DVFS，那在一些这嵌入式的应用当中，像手机会经常会用到这个DVFS，因为动态的跳动。

比如说，手机，我一会儿黑屏了，把他踹到口袋里边，那这个时候，他是实际是没有关机的。这个时候因为你只是从battery进行供电的，这是他唯一的power的来源，我要想方设法地去降低功耗，那我们知道这个功耗，除了静态功耗，动态功耗，那他跟工作频率，工作电压是有很大的相关性。那么，这个时候他不怎么工作，他可能只是跟基站间歇性的去交换一些信息，那么这时候，我可不可以把频率降下来，原来是两个G，现在不需要了，可不可以降到200M。随之电压是不是也可以降下来？这些省下来的都是功耗，那就意味着你的电池的寿命更长。

比如待机，我用的这家整天下来我八个小时不充电，但人家那个是十六个小时不充电，那这个卖点，这个芯片的竞争力是不是就很强了。那这个DVFS呢，做的时候也要想清楚，我是通过硬件来做，从状态机，有一个去监测这个monitor的这个workload的？发现workload低了以后呢，把频率降下来个，把电压降下来，这个workload来了以后，把这个电压起来，频率再升起来，还是说通过软件的方式来做，那么放一个小的MCU它去monitor去workload，他负责调整。

未完-待续…

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