全芯片混合訊號(hào)設(shè)計(jì)解決方案

在數(shù)字IC設(shè)計(jì)的早期時(shí)代(1960年代初期)，電路都是手工制作，電路圖(圖解)都是用紙、筆和油印方式手繪而成。這些電路圖說(shuō)明邏輯閘與相關(guān)運(yùn)作功能，用以建置設(shè)計(jì)及其中的聯(lián)機(jī)。

　　每個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)至少會(huì)有1位成員專精于執(zhí)行邏輯、最小化與最佳化，最終導(dǎo)致更換1整群的通訊閘，以更快的速度執(zhí)行同樣工作或者占用更少的硅芯片面積。

　　執(zhí)行功能驗(yàn)證–檢查設(shè)計(jì)是否按照計(jì)劃運(yùn)作，通常由1群工程師來(lái)執(zhí)行，圍坐在桌邊一邊看著電路圖，一邊說(shuō)道：「呃，我覺(jué)得沒(méi)問(wèn)題!」。同樣地，時(shí)機(jī)驗(yàn)證–檢查設(shè)計(jì)是否符合所需的輸入/輸出與內(nèi)部路徑延遲，而且沒(méi)有違反與任何內(nèi)部緩存器(例如setup與hold參數(shù))都是運(yùn)用鉛筆和紙張來(lái)執(zhí)行。

　　最后，用來(lái)排列邏輯通訊閘的結(jié)構(gòu)以及彼此互連的整套圖，全都是手繪的。這些由正方形和長(zhǎng)方形…等簡(jiǎn)單圖形構(gòu)成，會(huì)被用來(lái)制作光罩(photo-mask)，然后使用光罩制作實(shí)際硅芯片。

　　按照當(dāng)今術(shù)語(yǔ)分類為「完全自訂」的最早的數(shù)字IC，因?yàn)闃?gòu)成個(gè)別組件的每個(gè)幾何元素的尺寸與外形都是分別手繪的。為了解決耗時(shí)及容易出錯(cuò)缺點(diǎn)，電路圖繪制(schematic capture) 軟件包于是出現(xiàn)。在抽象的通訊閘層建立數(shù)字設(shè)計(jì)，就好像使用匯編語(yǔ)言制作軟件程序一般。

　　就效能與內(nèi)存容量而言，組合程序堪稱為優(yōu)良的建置，但是制作(capture)與驗(yàn)證非常耗時(shí)，而且不易移到其它計(jì)算機(jī)延續(xù)開(kāi)發(fā)。同樣地，通訊閘層描繪的制作與驗(yàn)證也頗費(fèi)時(shí)，且不容易移到新的晶圓廠或制程。

　　解決方案一旦必須轉(zhuǎn)移到C等程序規(guī)劃語(yǔ)言進(jìn)行更高階的開(kāi)發(fā)時(shí)，高階描繪就會(huì)轉(zhuǎn)譯成計(jì)算機(jī)所要求的機(jī)器語(yǔ)言指令。其優(yōu)點(diǎn)是讓軟件開(kāi)發(fā)人員迅速掌握程序意圖，進(jìn)而驗(yàn)證功能。此外，以C語(yǔ)言撰寫(xiě)的程序也很容易移到其它計(jì)算機(jī)平臺(tái)。

　　一旦數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)員開(kāi)始轉(zhuǎn)移到所謂RTL(Register Transfer Level)的更高階的抽象化，就可以使用1980年代后期與1990年代初期登場(chǎng)的邏輯合成(Logic synthesis)技術(shù)，將RTL描繪轉(zhuǎn)譯成為對(duì)應(yīng)的通訊閘層電路表(netlist)。這種「前端」合成技術(shù)獲得「后端」自動(dòng)化布局與繞線(place-and-route)引擎補(bǔ)強(qiáng)，此引擎能取得通訊閘層電路表，并執(zhí)行設(shè)計(jì)實(shí)體建置。

　　小型設(shè)計(jì)上，合成引擎在通訊閘層抽象化的成果，可能無(wú)法媲美手繪設(shè)計(jì)。但除了迅速而且簡(jiǎn)潔地掌握設(shè)計(jì)意圖，大幅提高設(shè)計(jì)人員生產(chǎn)力外，合成引擎自動(dòng)執(zhí)行速度與面積取舍的能力，在在表示出合成引擎整體表現(xiàn)還是較手繪更好。

　　模擬工具的演進(jìn)

　　模擬電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工具發(fā)展，遠(yuǎn)早于數(shù)字電路。晶體管、電阻、電容與電感器…等獨(dú)立組件設(shè)計(jì)工作，通常會(huì)先建立設(shè)計(jì)的實(shí)體原型，再將之納入測(cè)試，測(cè)量實(shí)際值，以判斷其效能，調(diào)整組件值并因應(yīng)必要新增/移除組件，以達(dá)到成效。

　　60年代后期與70年代初期，許多大學(xué)與商業(yè)公司著手開(kāi)發(fā)模擬仿真器。這些程序讓學(xué)生與工程師們能仿真模擬電路運(yùn)作，而不必實(shí)際建立電路。最著名的早期仿真器是加州大學(xué)柏克萊分校開(kāi)發(fā)的Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis(SPICE) ，在70年代初期廣受歡迎。

　　幾年下來(lái)，模擬仿真器在基本模型與算法演進(jìn)下，及仿真引擎效能方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，現(xiàn)今模擬設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工具，基本上都受限于繪制與仿真晶體管層電路圖。

　　• 以高度抽象化的方式描繪模擬功能，然后運(yùn)用這些描繪來(lái)產(chǎn)生晶體管層等效電路。

　　• 自動(dòng)使模擬電路最佳化。

　　• 自動(dòng)布局與繞線模擬電路。

　　結(jié)果就是模擬集成電路，仍然絕大多數(shù)采自訂、且需手工繪制方式進(jìn)行。除了昂貴、耗時(shí)而且錯(cuò)誤百出外，這種晶體管層設(shè)計(jì)作法無(wú)法讓既有設(shè)計(jì)輕松轉(zhuǎn)移到新的晶圓廠或制程/技術(shù)節(jié)點(diǎn)，反而設(shè)計(jì)的移植必須打從建置電路開(kāi)始。這說(shuō)明了最先進(jìn)的數(shù)字設(shè)計(jì)已堂堂邁入45奈米技術(shù)，但最先進(jìn)的模擬設(shè)計(jì)仍停留在90奈米，甚至許多模擬設(shè)計(jì)仍深陷130奈米和250奈米的泥淖中，而這是5到10年前的技術(shù)。

　　混合訊號(hào)工具演進(jìn)

　　截至目前為止，真正混合訊號(hào)解決方案方面的工具進(jìn)展相當(dāng)緩慢。如前所述，為滿足成本、尺寸、重量與耗電需求，模擬與數(shù)字功能將會(huì)結(jié)合在單一「混合訊號(hào)」裝置上，有些EDA公司還嘗試「栓合(bolt together)」既有的模擬與數(shù)字仿真引擎。

　　傳統(tǒng)上，專精于數(shù)字設(shè)計(jì)的公司大多嘗試購(gòu)買既有、成熟的模擬解決方案，藉以來(lái)解決問(wèn)題。動(dòng)機(jī)就是要透過(guò)取得模擬公司的客戶基礎(chǔ)擴(kuò)大市占，但結(jié)果還是無(wú)法整合一大堆零散片段工具。即使是當(dāng)代「最新」混合訊號(hào)與完全自訂設(shè)計(jì)環(huán)境，數(shù)字與模擬設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都還是各干各的，甚至完全不知道對(duì)方在做甚么。2個(gè)領(lǐng)域的人員在芯片完成時(shí)才首度看到對(duì)方的情形屢見(jiàn)不鮮，此時(shí)模擬與數(shù)字區(qū)塊早就已布局、繞線完畢了。然而芯片的完成通常都是手工作業(yè)，包含芯片投產(chǎn)(tapeout)前才會(huì)發(fā)生的許多工作。因?yàn)槿狈ψ詣?dòng)化，芯片完成的作業(yè)與處置通常都無(wú)法回饋到主設(shè)計(jì)流程，導(dǎo)致未來(lái)設(shè)計(jì)中重復(fù)運(yùn)用的重大問(wèn)題。(本文由MAGMA產(chǎn)品經(jīng)理提供)

　　圖說(shuō)：在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境中，自訂布局以及標(biāo)準(zhǔn)單元布局與繞線之間的循環(huán)可能會(huì)增加好幾個(gè)星期的芯片開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　圖說(shuō)：Titan Chip Finishing系統(tǒng)包含線路布局編輯軟件，并提供完整Quartz LVS驗(yàn)證解決方案。

　　圖說(shuō)：Titan自動(dòng)布線可讓生產(chǎn)力更為提升。